Diseños de bombas dosificadoras: Pumps & Systems mira hacia atrás

La bomba dosificadora es un dispositivo dosificador de productos químicos de desplazamiento positivo con la capacidad de variar la capacidad según lo requieran las condiciones del proceso. La bomba está diseñada para proporcionar un caudal muy preciso y repetible dentro de un rango de capacidad especificado. La capacidad se puede ajustar de forma manual o automática a través de una señal de control externa. Presenta alta precisión y linealidad en todo su rango de reducción, típicamente 10:1.

Los tipos más comunes de bombas se basan en un émbolo alternativo accionado mecánicamente (las bombas más pequeñas pueden usar un accionamiento de solenoide), que actúa directamente sobre el fluido del proceso, como en un diseño de émbolo compacto, o actúa sobre un fluido hidráulico, que acciona un diagrama.

El diafragma, a su vez, desplaza el producto químico del proceso en la cámara del lado líquido en una cantidad fija por carrera. El resultado es una dosis medida de producto químico que prácticamente no se ve afectada por los cambios de presión. Las bombas de diafragma prácticamente no tienen fugas y, a medida que las regulaciones ambientales se vuelven más estrictas, reemplazan cada vez más los diseños de émbolo empacado. La capacidad varía ya sea ajustando la longitud de la carrera, que cambia la cantidad de fluido bombeado por carrera, o cambiando la velocidad de carrera. Esto cambia la cantidad de dosis de líquido administradas en un período de tiempo determinado. La longitud de la carrera se puede variar mediante una perilla micrométrica manual o mediante un actuador neumático. La velocidad de carrera se ajusta mediante un motor de velocidad variable.

La longitud de la carrera se puede ajustar por una variedad de medios, que incluyen movimiento perdido hidráulico, movimiento perdido mecánico y accionamientos de manivela polar. El término "movimiento perdido" se refiere al hecho de que durante una parte de la carrera del émbolo no se desplaza fluido. La porción "perdida" de la carrera se varía para obtener el flujo deseado. En una bomba hidráulica de movimiento perdido, el émbolo tiene una carrera constante y actúa sobre el fluido hidráulico. La capacidad se ajusta abriendo un puerto de ventilación hidráulica en un punto determinado de la carrera del émbolo, desviando el aceite de la cámara. Durante este período, no se realiza ningún trabajo en el diafragma y no se desplaza fluido del proceso. Al variar la posición del puerto de derivación en la carrera, se puede ajustar la capacidad de la bomba.

Las bombas mecánicas de movimiento perdido utilizan una excéntrica o leva impulsada por engranajes helicoidales para impulsar el émbolo. Un tornillo de posicionamiento micrométrico limita el movimiento del émbolo cuando sigue la leva del impulsor al evitar el contacto del émbolo y la leva durante una parte de la carrera. Esto actúa para acortar la carrera efectiva del émbolo.

En una transmisión de manivela polar, un juego de engranajes helicoidales impulsa una biela, que luego impulsa una cruceta en la otra. Un tornillo de ajuste micrométrico cambia el ángulo del conjunto de manivela, alterando la distancia de recorrido del émbolo. Con la manivela en su posición vertical, no se imparte movimiento alternativo al émbolo y el caudal de la bomba es cero. Con el cigüeñal en su ángulo máximo, la carrera del émbolo y el flujo de la bomba son máximos.

Las bombas de movimiento perdido cortan el pulso de flujo por carrera para variar la capacidad. Esto tiende a producir un choque hidráulico ya que el fluido hidráulico se desvía repentinamente en cada carrera. Por el contrario, los impulsores de manivela polares disminuyen la amplitud del pulso y eliminan el choque hidráulico que generalmente se experimenta en las bombas de movimiento perdido.

Las bombas dosificadoras de velocidad variable ajustan la capacidad variando la velocidad del motor impulsor, que a su vez varía la velocidad de carrera de la bomba, normalmente con una longitud de carrera constante.

Esto se logra con el uso de un controlador y un motor de velocidad variable de CA o CC. Normalmente se emplea una reducción de engranajes helicoidales y una excéntrica para reducir la velocidad del motor y desarrollar un movimiento alternativo. Una práctica común es simplemente montar un motor de velocidad variable en una bomba dosificadora de carrera variable.

Lamentablemente, esta configuración no ofrece el nivel de rendimiento esperado. La reducción máxima es normalmente de 10:1 y, en el mejor de los casos, de 30:1, para la mayoría de los motores de velocidad variable disponibles en el mercado. Las bombas que usan reducción de engranajes helicoidales requieren un motor impulsor dimensionado para el rango de operación de baja velocidad donde el conjunto de engranajes opera con baja eficiencia. Las eficiencias mecánicas de los engranajes helicoidales son hasta un tercio más bajas a 175 rpm que a 1750 rpm (reducción de 10:1). El resultado es un mayor costo y tamaño de la unidad. Además, la mala lubricación a bajas velocidades aumenta el mantenimiento del juego de engranajes.

Para aumentar la reducción y eliminar otras desventajas de los diseños de velocidad variable, algunos fabricantes combinan la carrera variable y la operación de velocidad variable en un solo sistema. Esto generalmente se logra simplemente acoplando un motor de velocidad variable a una bomba dosificadora de carrera variable. Teóricamente, la reducción de carrera variable de 10:1 multiplicada por la reducción de velocidad variable de 10:1 debería producir una relación de reducción de 100:1. Sin embargo, la realidad es que las desventajas de ambos sistemas limitan la reducción a menos de 100:1. Estas bombas también son más complejas y caras.

Los diseños tradicionales descritos anteriormente tienen una serie de inconvenientes inherentes, algunos de los cuales se discutieron. Los usuarios recurren cada vez más a sistemas de dosificación completamente automatizados, que cuentan con instrumentos sofisticados que monitorean en tiempo real y transmiten información casi instantáneamente a los sistemas de control de procesos automáticos. Luego, el sistema de control envía una señal a las bombas dosificadoras para que ajusten el caudal. La respuesta y la precisión de la bomba dosificadora suelen ser el eslabón débil de tales sistemas de control de procesos.

Las bombas dosificadoras tradicionales pueden tardar varios minutos en lograr las tasas de flujo correctas, un retraso de varios órdenes de magnitud más lento que la respuesta de los otros componentes del sistema.

Los diseños típicos tienen una precisión de solo +/- 1 por ciento. Los sistemas de control con la instrumentación adecuada pueden aprovechar precisiones de estado estable mucho mayores.

Los diseños avanzados superan estas deficiencias. Por ejemplo, en lugar de simplemente acoplar un motor de velocidad variable a una bomba dosificadora de carrera variable, los fabricantes ahora ofrecen diseños que se adaptan de manera óptima a las tecnologías de motor impulsor, accionamiento mecánico y extremo líquido.

El resultado son bombas dosificadoras con precisión, tiempo de respuesta y ratios de reducción compatibles con los sistemas de control automático. Los nuevos diseños de velocidad variable reemplazan las transmisiones de engranajes helicoidales por conjuntos de engranajes helicoidales para proporcionar una eficiencia constante en todo el rango de velocidades de la bomba. La tecnología avanzada de motor de CC sin escobillas proporciona relaciones de reducción de 100:1, una precisión de estado estable de +/- 0,5 por ciento y tiempos de respuesta muy rápidos.

La combinación de sistemas de control automatizados y bombas dosificadoras de alta precisión y respuesta rápida permite a los usuarios controlar de cerca los procesos para lograr una dosificación química y una calidad del proceso óptimas.

George Halfinger era ingeniero de marketing de productos para la división de control de flujo de Milton Roy en Ivyland, Pensilvania. Formó parte del Consejo Asesor Editorial de Pumps & Systems.