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High-Pressure Pumps

A reciprocating pump can be defined as a mechanical device that consists of one or more single- or double-acting positive-displacement elements (pistons or plungers) that imparts a pulsating dynamic flow to a liquid. It is described as a pump having a to-and fro motion. Its motion is backward and forward or upward and downward—as distinguished from the circular motion of centrifugal and rotary pumps. A piston or plunger differentiates the reciprocating pump from a centrifugal or rotary pump. In a reciprocating pump, the reciprocating motion of the wrist pin is converted to a circular motion by means of a connecting link or connecting rod (see Figure 1). Following are three moving elements necessary for operation of a reciprocating pump:

  • Piston or plunger
  • Inlet or admission valve
  • Outlet or discharge valve

This definition also explains that the pistons or plungers are driven in a more or less harmonic motion by a rotating crank with a connecting rod arrangement. This motion generates flow by pulling the fluid through inlet check valves and pushes the fluid through outlet check valves that are located near the inlet and outlet of the pump.

An alternative definition describes pumps as devices for exerting pressure on fluids for transportation or (through them to transmit pressure to a more or less remote point where it is transformed into work).

The piston or plunger works within a watertight cylinder. The basic difference between a piston and a plunger should be noted (see Figure 2). A piston is shorter than the stroke of the cylinder; the plunger is longer than the stroke. Another distinguishing feature is that the packing is inlaid on the rim of the piston for a tight seal.

When a plunger is used, the packing is moved in a stuffing box located at the end of the cylinder to provide a tight seal.

For positive-displacement, high-pressure, and piston or plunger pumps, it could be said that they create flow (not pressure) until the flow is restricted, which, in turn, causes the pressure to increase in the fluid.

 

 

Bombas de alta presión.

Una bomba recíproca puede ser definida como un dispositivo mecánico que consisten en uno o mas elementos actuadores simples o dobles de desplazamiento positivo (pistones o émbolos) que imparten un flujo dinámico pulsante a un líquido. Esta se describe como una bomba que tiene un movimiento lineal en dos sentidos. Su movimiento es hacia atrás y hacia adelante o hacia arriba y hacia abajo ( a diferencia del movimiento circular de las bombas rotativas centrífugas). Un pistón o émbolo diferencia a la bomba recíproca de una bomba centrífuga o bomba rotativa. En una bomba recíproca, el movimiento recíproco del eje del pie de biela es convertido en un movimiento circular por medio de una corredera o biela motriz (ver figura 1). A continuación están los tres elementos necesarios para la operación de una bomba recíproca:

  • Pistón o émbolo
  • Entrada o válvula de admisión
  • Salida o válvula de descarga

Esta definición explica además que los pistones o émbolos son impulsados en un movimiento mas o menos armónico por una disposición con cigüeñal rotativo mas una biela. Este movimiento genera flujo al impulsar el fluido a través de las válvulas de retención de entrada y empuja el fluido a través de válvulas de retención de salida que están localizadas cerca de la entrada y salida de la bomba.

Una definición alternativa describe las bombas como dispositivos para ejercer presión sobre fluidos para transporte o (a través de los mismos para transmitir presión a un punto mas o menos remoto donde sea transformada en trabajo).

El pistón o el émbolo trabajan dentro de un cilindro estanco. La diferencia básica entre un pistón y un émbolo debería ser notada (ver figura 2). Un pistón es mas corto que la carrera del cilindro; el émbolo es mas largo que la misma. Otra característica distintiva es que la empaquetadura está por dentro del borde del pistón para un sellado estrecho.

Cuando se usa un émbolo,  la empaquetadura es colocada en un prensaestopas localizado en el extremo del cilindro para proporcionar un sellado estrecho.

Para bombas de desplazamiento positivo, alta presión y de pistón o émbolo, se podría decir que las mismas crean flujo (no presión) hasta que el flujo sea restringido, lo que, a cambio, hace que la presión se incremente en el mismo.

Fig. 1 - The basic difference between reciprocating motion (left) and circular motion (right).

Positive displacement, reciprocating pumps can be classified as power pumps or direct-acting pumps; horizontal or vertical pumps; single acting or double-acting pumps; piston, plunger, or diaphragm pumps; and simplex, duplex, or multiplex pumps. In the high-pressure and ultra-high-pressure (UHP) fields, intensifiers and plunger pumps are most often used to provide pressures in the range of 10,000–40,000 psi.

Fig. 2. Basic differences between a piston and a plunger.

Fig. 1 - La diferencia básica entre el movimiento recíproco (izquierda) y el movimiento circular (derecha).

Las bombas recíprocas de desplazamiento positivo pueden ser clasificadas como bombas de potencia o de acción directa; bombas horizontales o verticales; de acción única o de doble acción; de pistón, émbolo, o bombas de diafragman; y bombas simplex, dúplex o múltiplex.  En los campos de alta presión y presión ultra alta (UHP), las intensificadoras y bombas de émbolo son las usadas mas frecuentemente en el rango de 10.000 a 40.000 psi.

Fig. 2. Diferencias básicas entre un pistón y un émbolo

 

 

 

A reciprocating pump is a positive displacement machine and not a kinetic machine like a centrifugal pump, so it does not require velocity to achieve pressure. It is an advantage to obtain high pressure at low velocity for large flows and slurry applications. A reciprocating pump has high efficiencies in the range of 85–94%, with a 10% loss through belts, gears, bearings, packing, and valves. Flow capacity is a function of pump speed and displacement and is relatively independent of pressure, but fluid can only be moved if the suction supply delivers fluid to the pump. In addition, a pump may not be able to suck liquid into itself because there is no tensile strength to the fluid, but it can remove the air from the pump cavity, which creates a partial vacuum to allow the pump chambers to fill.

Net-positive suction head (NPSH) is the amount of head produced by the suction system and is expressed in meters of liquid, pounds per square inch, or feet. Net-positive suction head available (NPSHA) must exceed the net-positive suction head required (NPSHR) for proper operation of the pump. Pump speed and the ability of the valve to open and close properly (as affected by spring tension, valve weight, and valve area) have the greatest impact on NPSH. Different speeds and suction pressures affect how these factors act when the pump is operating.

The acceleration head is not constant because the liquid must accelerate and decelerate a number of times for each rotation of the crankshaft.

 

 

Una bomba recíproca es una máquina de desplazamiento positivo y no una máquina cinética como una bomba centrífuga, por lo tanto esta no requiere velocidad para alcanzar a tener presión. Es una ventaja obtener alta presión a baja velocidad para aplicaciones de grandes caudales y barros. Una bomba recíproca tiene elevadas eficiencias en el rango de 85%-94%, con una pérdida del 10% a través de las correas, engranajes, rodamientos, empaquetaduras y válvulas. La capacidad de flujo es una función de la velocidad de la bomba y el desplazamiento, y es relativamente independiente de la presión, pero el fluido puede sólo ser movido si el suministro de succión entrega fluido a la bomba.  Adicionalmente, una bomba puede no alcanzar a absorber líquido dentro de sí debido a que no hay resistencia tensora al fluido, pero la misma puede mover el aire de la cavidad de la bomba, lo que crea un vacío parcial para permitir a las cámaras de la bomba que se llenen.

La carga de succión neta positiva es la cantidad de carga  producida por el sistema de succión y está expresado en metros de líquido, libras por pulgada cuadrada o pies. La carga  de succión neta positiva disponible debe exceder a la carga  de succión neta positiva requerida  para la correcta operación de la bomba. La velocidad de la bomba y la habilidad de la válvula para abrir y cerrar apropiadamente (afectada por la tensión del resorte, peso de la válvula y área de la válvula) tienen el mayor impacto sobre la carga  de succión neta. Diferentes velocidades y presiones de succión  afectan a la forma en que estos factores actúan cuando la bomba está operando.

 

The liquid inertia requires energy to produce acceleration, and the energy is returned to the system upon deceleration; adequate excess pressure must be provided to accelerate the liquid on the suction side of the pump to prevent cavitations. The crankshaft throws are located at 120-degree intervals in a triplex pump, and the plunger does not travel at a constant speed when the pump is running. The crossheads, connecting rods, and plungers accelerate and decelerate the liquid because the rotary motion of the crank is converted into linear motion with the maximum acceleration at 60, 180, and 300 degrees of rotation.

High-pressure pumps evolved from the humble beginnings in their history because of the need to pump more types of fluid at ever-increasing pressures.

Innovative people developed the fluid block/cylinder designs, the packing designs, and the valve designs to handle up to 10,000 psi, then 20,000 psi, then 36,000 psi, and then 40,000 psi.

The design of high pressure pumps has progressed to the standards of twenty-first century technology to handle the many fluids needed by modern industry.

The development of nozzles and accessories for pumps sometimes occurs after high-pressure pump improvements and sometimes is closely related to pump capability development. Accessories must be developed to accommodate higher pressures when needed. Accessories and nozzle technology has also improved the effectiveness and usability of high-pressure pumps in water-blasting and water-jetting applications.

La carga de aceleración no es constante porque el líquido debe acelerar y desacelerar una cantidad de veces para cada rotación del cigüeñal.

La inercia del líquido requiere energía para producir aceleración, y la energía es retornada al sistema en la desaceleración; un adecuado exceso de presión debe ser provisto para acelerar el líquido en el lado de succión de la bomba para evitar cavitaciones. Las rotaciones del cigüeñal están localizadas a intervalos de 120 grados en una bomba triple, y el émbolo no viaja a una velocidad constante cuando la bomba está funcionando. Las crucetas, bielas y émbolos aceleran y desaceleran el líquido debido a que el movimiento de rotación del cigüeñal es convertido en movimiento lineal con la máxima aceleración a 60,180 y 300 grados de rotación.  

Las bombas de alta presión evolucionaron desde sus humildes comienzos en su historia, debido a la necesidad de bombear mas tipos de fluidos a presiones cada vez mayores. La gente innovativa desarrolló los diseños de bloques/cilindros, los diseños de empaquetaduras y los diseños de válvulas para manejar hasta 10.000 psi, después 20.000 psi, después 36.000 psi y después 40.000 psi.

El diseño de bombas de alta presión ha progresado a los estándares de tecnología del siglo XXI para impulsar los variados fluidos de la industria moderna.

El desarrollo de picos y accesorios para las bombas a veces ocurre luego de mejoras en el desarrollo de bombas de alta presión y a veces está estrechamente relacionado con del desarrollo de la capacidad de la bomba.  Los accesorios deben ser desarrollados para acomodar la elevadas presiones cuando sea necesario. La tecnología de los accesorios y toberas también ha mejorado la efectividad y usabilidad de la bombas de alta presión en aplicaciones de barrenado por agua y chorro de agua.  

 

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