High-Pressure Pumps

A reciprocating pump is a mechanical device consisting of one or more single- or double-acting positive-displacement elements (pistons or plungers) that impart a pulsating dynamic flow to a liquid. It is described as a pump having a to-and-fro motion—back-and-forth or up-and-down—as opposed to the circular motion of centrifugal and rotary pumps. The presence of a piston or plunger distinguishes a reciprocating pump from centrifugal or rotary types. In such pumps, the reciprocating motion of the wrist pin is converted into rotary motion by means of a connecting rod (see Figure 1). Three key moving elements are required for their operation:

• Piston or plunger

• Inlet (admission) valve

• Outlet (discharge) valve

The pistons or plungers are driven in a near-harmonic motion by a rotating crank with a connecting rod arrangement. This motion generates flow by drawing fluid through inlet check valves and discharging it through outlet check valves located near the suction and discharge ends of the pump.

Another definition describes pumps as devices that exert pressure on fluids for transportation or to transmit pressure to a remote point where it can be converted into useful work.

The piston or plunger operates within a sealed cylinder. A piston is shorter than the cylinder stroke, with its packing embedded around its rim to provide a tight seal. A plunger, on the other hand, is longer than the stroke, and its seal is provided by packing located in a stuffing box at the end of the cylinder.

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).

For positive-displacement pumps—including high-pressure piston and plunger pumps—it can be said that they create flow (not pressure) until resistance is encountered, which in turn generates pressure in the fluid. These pumps can be classified as power pumps or direct-acting pumps; horizontal or vertical; single-acting or double-acting; piston, plunger, or diaphragm types; and simplex, duplex, or multiplex designs. In the high-pressure and ultra-high-pressure (UHP) ranges, intensifiers and plunger pumps are most commonly used, providing pressures between 10,000 and 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

Unlike centrifugal pumps, reciprocating pumps are positive-displacement machines, not kinetic machines; they do not rely on velocity to generate pressure. An advantage is that they can achieve high pressure at low velocity, which is beneficial for large-flow and slurry applications. Reciprocating pumps have high efficiencies (85–94%), with about 10% losses due to belts, gears, bearings, packing, and valves. Flow capacity depends on pump speed and displacement, and is relatively independent of pressure. However, fluid movement depends on proper suction supply: pumps cannot “pull” liquid, but they can evacuate air from the chamber to create a partial vacuum that allows the fluid to enter.

Net positive suction head (NPSH) is the suction head produced by the system, expressed in meters of liquid, psi, or feet. The available NPSH (NPSHA) must exceed the required NPSH (NPSHR) for proper pump operation. Pump speed and valve performance—affected by spring tension, valve weight, and valve area—have the greatest impact on NPSH.

The acceleration head is not constant because the liquid must accelerate and decelerate several times during each crankshaft revolution. Liquid inertia requires energy to accelerate, which is returned during deceleration. Adequate suction pressure must be provided to accelerate the liquid and prevent cavitation. In a triplex pump, crankshaft throws are set at 120-degree intervals, and the plunger does not move at constant speed. The crossheads, connecting rods, and plungers continuously accelerate and decelerate the fluid as rotary motion is converted into linear motion, with maximum acceleration occurring at 60°, 180°, and 300° of crank rotation.

High-pressure pumps evolved historically to meet the need for pumping a greater variety of fluids at increasingly higher pressures. Engineers developed new cylinder blocks, packing designs, and valve technologies to handle 10,000 psi, then 20,000 psi, later 36,000 psi, and eventually 40,000 psi.

Today, high-pressure pump design meets twenty-first-century industrial demands. The development of nozzles and accessories has paralleled pump technology improvements. Accessories must be engineered to withstand higher pressures when required. Advances in nozzle and accessory design have also enhanced the effectiveness and versatility of high-pressure pumps in water-blasting and water-jetting applications.

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.

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.