Comparación de diferentes tipos de bombas dosificadoras

Sobre la base de la abrasividad y el desgaste

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1. Contexto

¿Qué características se requieren de una bomba dosificadora que debe procesar medios altamente viscosos y abrasivos que son sensibles al corte con un alto grado de seguridad del proceso y, al mismo tiempo, tolerar cambios en las propiedades de flujo de estos medios? La solución: una bomba dosificadora según el principio de desplazamiento positivo. Una bomba de rotor helicoidal (PCP, por sus siglas en inglés) es un ejemplo bien conocido de una bomba de este tipo. Un PCP combina las propiedades de bombeo del medio con bajos niveles de desgaste y fricción, lo que da como resultado una larga vida útil y una mayor eficiencia energética.

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2. Introducción

En la industria electrónica, existen esencialmente tres aplicaciones de dosificación diferentes: el sellado con siliconas rellenas o polímeros, la aplicación de pastas con un contenido de relleno muy alto y el uso de adhesivos para unir componentes. Un gran número de los fluidos utilizados en estas aplicaciones contienen rellenos y estos rellenos afectan las propiedades específicas del medio. Pueden afectar a la conductividad térmica, la dureza de la superficie, el aislamiento eléctrico, la resistencia a los rayos UV, el curado o el tiempo de gel o la tixotropía, por ejemplo. Debido a su abrasividad, estos rellenos plantean grandes exigencias a los componentes de dosificación con respecto al desgaste.

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En el mercado se han establecido varios tipos de bombas:

• Bomba peristáltica
• Bomba de pistón
• Bomba de engranajes
• Bomba de rotor helicoidal

Todas las bombas anteriores funcionan de acuerdo con el principio de desplazamiento positivo (continuo o discontinuo). Los factores que determinan la selección de una bomba para una aplicación de dosificación incluyen la viscosidad, la resistencia química y la abrasividad del fluido, así como la cantidad a aplicar por unidad de tiempo y la precisión de dosificación requerida. A continuación, se presenta una representación simplificada de los efectos del desgaste y la fricción basada en el concepto de tribología. El sistema tribológico según el principio de desplazamiento positivo se representa mejor como un sistema de abrasión de revestimiento en el que las partículas son transportadas por el movimiento relativo del rotor/pistón/engranaje (ver Fig. 1).

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3. Tribología de elastómeros y plásticos

El "tribosistema" de elastómeros y plásticos se describe a través de la combinación de la interacción entre las superficies en movimiento relativo y el medio ambiente. Esta interacción implica reacciones mecánicas, físicas, químicas, termoquímicas y triboquímicas. Como materiales altamente elásticos, los elastómeros ViscoTec se han optimizado para este efecto. Sus propiedades (por ejemplo, excelente resistencia al desgaste y a los productos químicos) son muy superiores a las de otros polímeros.

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Las bombas y los sistemas de dosificación enumerados anteriormente pueden, en teoría, causar tres tipos de desgaste. En aras de la exhaustividad, el desgaste erosivo también se describe a continuación.

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• Desgaste abrasivo
• Desgaste adhesivo
• Desgaste triboquímico
• Desgaste erosivo

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El desgaste abrasivo es el principal tipo de desgaste. Es el factor principal que determina la vida útil del producto de los componentes de elastómero y plástico. La abrasión provoca desgaste en forma de microfractura y reblandecimiento de la superficie de contacto. El mecanismo de abrasión está influenciado por muchos factores, incluidos los coeficientes de fricción, la presión, las características de la superficie, la velocidad de deslizamiento, la temperatura, el módulo de elasticidad y la resistencia a la fatiga. El desgaste adhesivo es el tipo de desgaste que se produce entre una superficie (elastómero, plástico) y un compañero de fricción suave (por ejemplo, metal). Si la velocidad de deslizamiento es relativamente baja, la superficie del elastómero o plástico sufre una deformación (fricción adhesiva). El desgaste del adhesivo se produce si la lubricación es insuficiente, también causada por el medio. El desgaste triboquímico es un tipo de desgaste causado por el medio como resultado de la activación de la superficie afectada (elastómero, plástico) debido a la fricción o a una reacción química. El "desgaste de las capas" generalmente se inicia por una reacción química. En lugar de provocar el fallo repentino de los componentes afectados, las reacciones triboquímicas debilitan gradualmente los plásticos y los elastómeros.

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El desgaste erosivo es un tipo de desgaste que provoca la erosión del material debido al impacto de las partículas contra la superficie de un objeto. Si las partículas se mueven en líquido, este tipo de desgaste se denomina desgaste hidroerosivo. Se produce principalmente a altas velocidades de flujo.

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4. Comparación de tipos de bombas de desplazamiento

Las ventajas y desventajas de los sistemas de bombeo y dosificación estándar  están determinadas por el medio de dosificación (su viscosidad, abrasividad, resistencia química) y los parámetros del proceso (tasa de entrega, precisión, tiempo de ciclo). La Tabla 1 compara los distintos tipos de bombas de desplazamiento positivo en función de las propiedades seleccionadas.

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Las bombas peristálticas son adecuadas para medios de viscosidad baja a media. Diseñadas para generar fuertes pulsaciones, el ámbito de aplicación de estas bombas en la tecnología de dosificación es limitado. La funcionalidad de las bombas peristálticas está determinada en gran medida por el material de la tubería utilizada y el grosor de sus paredes. Los componentes abrasivos y químicos tienen un efecto significativo en el número de ciclos de la resistencia a la flexión de la tubería. Esta tecnología de bombas, que se encuentra en el extremo inferior de la escala de precios, a veces se usa con líquidos abrasivos.

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Las bombas de engranajes son adecuadas para aplicaciones que requieren una dosificación uniforme. En el caso de viscosidades bajas, la bomba tiende a un flujo de fuga y flujos volumétricos erráticos cuando se produce una contrapresión. Los medios con un contenido de relleno medio a alto causan un alto cizallamiento del producto en la superficie de contacto de los engranajes, lo que resulta en altos niveles de desgaste. Por lo tanto, la destrucción y degradación de los rellenos (por ejemplo, esferas de vidrio huecas para mejorar el flujo) es inevitable.

Las ventajas de las bombas de pistón se encuentran en su alta tasa de dosificación para prácticamente todos los medios, desde viscosidades bajas hasta altas. Las altas presiones son posibles gracias a su diseño resistente. Los tiempos de llenado del pistón determinan el tiempo de ciclo de las aplicaciones de dosificación. Por el contrario, la dosificación sin fin solo es posible sujeta a restricciones o con un pistón del tamaño correspondiente. También en este caso, los medios abrasivos provocan un desgaste abrasivo o tribomecánico de la superficie de contacto entre la pared del pistón y el pistón.

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Los asientos de las válvulas de entrada y salida se ven particularmente afectados por este fenómeno.

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Las bombas de rotor helicoidal están diseñadas para dosificar medios de baja a alta viscosidad y pastosos. Sin embargo, en comparación con las diferentes bombas de desplazamiento, la bomba helicoidal excéntrica también es ideal para dosificar medios abrasivos. Un caudal volumétrico uniforme, generado por el principio del pistón sin fin, evita la sedimentación de los rellenos a densidad variable. Las presiones relativamente bajas de 40 bar (en comparación con las bombas de pistón y las bombas de engranajes) y la geometría rotor-estator especialmente desarrollada reducen el desgaste porque hay muy poco cizallamiento en el flujo, niveles bajos o nulos de pulsación y ningún flujo de retorno en las cámaras individuales. Como resultado, el desgaste abrasivo y adhesivo se reduce al mínimo. ViscoTec también es capaz de contrarrestar las reacciones triboquímicas en el estator con compuestos elastómeros que han sido desarrollados internamente para medios químicamente agresivos. En combinación con un enlace de rotor especial, la combinación rotor-estator fabricada con precisión optimiza las propiedades de vuelco y, por lo tanto, produce resultados de dosificación exactos y precisos.

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5. Tipos de desgaste de los distintos tipos de bombas

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6. Resumen

Sería totalmente inapropiado clasificar las bombas dosificadoras como "buenas" o "malas". Es mucho más importante adaptar el sistema de dosificación a los requisitos de dosificación vigentes. El funcionamiento rápido, cíclico o continuo tiene el mismo efecto en la vida útil de los componentes de dosificación que los medios de baja a alta viscosidad y los medios con estructuras sensibles y alto contenido de relleno. Los valores de pérdida tribológica, como la fuerza de fricción, las fugas, el desgaste, el envejecimiento y la geometría de contacto, afectan a la idoneidad de las bombas dosificadoras para aplicaciones específicas en función del medio utilizado.

Por el contrario, las reacciones químicas afectan a los mecanismos de desgaste de una bomba (deformación plástica, abrasión, fricción de adherencia y mecánica de fractura, por ejemplo). A menudo, los componentes de dosificación solo pueden optimizarse para medios abrasivos o químicamente agresivos mediante la realización de pruebas (incluidas pruebas de cualificación definidas) por adelantado. Por último, el precio también será un factor a tener en cuenta a la hora de seleccionar una bomba específica. ViscoTec mejora y optimiza continuamente sus bombas dosificadoras para satisfacer los crecientes y cambiantes requisitos de los materiales en el mercado. Gran parte de nuestro trabajo de desarrollo se centra en el área de investigación de materiales, centrándonos en la resistencia química y la resistencia al desgaste, así como en la funcionalidad.

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