Normalization with Kriangsak’s government

Como ya se ha dicho anteriormente, los modelos actuales de este tipo de bombas constan de un bloque de transporte de hormigón y de un grupo Diesel-hidráulico o electro-hidráulico para su accionamiento y control (Figura 2-6).

Figura 2-6. Esquema de principio de una bomba alternativa con válvula tipo “S”, elaborado a partir de [Putzmeister 2000]

A su vez el bloque de transporte consta de:

i) Dos cilindros de transporte (Cilindros “C”) dentro de los que se desplazan sendos émbolos de transporte (Émbolos “C”) que aspiran o impelen el hormigón.

iii) Una válvula, consistente en un tubo oscilante con forma de “S” alargada (Tubo “S”), por ejemplo la válvula “S” de Putzmeister o de Reed Pumps, o algún dispositivo funcionalmente similar, cómo la válvula “Rock” de Schwing, o el Tubo “C” de Putzmeister. Usualmente los cilindros de transporte tienen una sección superior a la de la tubería de salida, con el fin de favorecer un buen llenado, por lo que la válvula suele realizar también la función adicional de reducción de sección.

Los cilindros “H” son accionados por el grupo hidráulico, que típicamente consiste en:

iv) Un conjunto de tres bombas hidráulicas coaxiales: Una para accionamiento de los Cilindros “H” y circuitos de mando (B1 en la Figura 2-6), otra (B2) para el accionamiento del Tubo “S” (a través de un acumulador) y una tercera (B3) para el agitador de la tolva de hormigón. Las bombas B2 y B3 no se han representado en la Figura 2-6, con el fin de simplificarla y destacar los elementos de mayor importancia.

v) El motor Diesel o eléctrico que las acciona.

vi) Los circuitos de mando y regulación, tanto hidráulicos como eléctricos, necesarios para efectuar el control de los elementos anteriores. Éstos gobiernan y sincronizan el movimiento de los émbolos (“C” + “H”) y del Tubo “S”. La sincronización se realiza utilizando unos finales de carrera que detectan cuando los émbolos llegan al final de la misma, invirtiendo entonces su movimiento; a la vez que se conmuta la posición del Tubo “S”. Estos circuitos también determinan el sentido de bombeo:

Impelente (uso normal).

Aspirante (utilizado en limpieza y despeje de atascos).

Para bombear el hormigón, estos dispositivos trabajan coordinadamente, siendo el principio de operación del conjunto similar al de cualquier otra bomba alternativa bicilíndrica. Así, mientras uno de los émbolos “C” aspira el hormigón desde la tolva (en la que un agitador lo mantiene en movimiento permanente), el otro impulsa el contenido en su cilindro correspondiente hacia la tubería de salida, es decir, aspiran e impelen alternativamente el hormigón hacia/desde los cilindros de transporte. La válvula oscilante conecta en todo momento la salida de la bomba con el cilindro impelente.

Los dos cilindros hidráulicos están unidos mediante una tubería, denominada “de equilibrio” o “de vaivén”, que transmite la presión de la bomba de uno a otro émbolo hidráulico. Nótese que, en la configuración representada, la presión se aplica al cilindro que está conectado al émbolo aspirante, y que se transmite al émbolo impelente mediante el circuito de aceite de vaivén. Existen otros elementos adicionales, tales como los de accionamiento del agitador, que no se describirán con detalle por no ser relevantes para el presente estudio.

El caudal de hormigón (o en general, de la mezcla bombeada) se regula variando el generado por la bomba hidráulica B1. Esta envía un caudal de aceite (determinado por la inclinación de su plato, que a su vez se regula a través de la presión aplicada a su servomecanismo por una válvula proporcional) a uno de los cilindros hidráulicos, mientras que el otro se conecta al circuito de retorno. La presión generada por la bomba B1 viene determinada por los siguientes factores externos:

i) La resistencia que presentan las tuberías a la circulación del hormigón, es decir, por la pérdida de carga en el circuito de bombeo.

ii) La depresión en el cilindro aspirante.

iii) Las fuerzas de rozamiento émbolos/cilindros y vástagos/retenes. iv) La presión de retorno a tanque.

El factor i) depende de las propiedades reológicas y tribológicas de la mezcla bombeada, del caudal de salida de la bomba, y de las características del circuito de bombeo (longitud, diámetro, material y rugosidad). El resto de los factores tiene una influencia relativamente pequeña sobre la presión generada por B1.

2.3.1 Pulsos de presión en bombas alternativas

Por la propia naturaleza discontinua del proceso de aspiración-impulsión, la presión, tanto a la salida de la bomba de hormigón, cómo en la bomba hidráulica son variables en el tiempo. Por tanto, la presión en la salida de una bomba alternativa del tipo descrito anteriormente será variable, y, en condiciones de régimen estacionario, una función periódica del tiempo: la presión cae prácticamente a cero en el tiempo de conmutación o cambio de la válvula de salida, para subir a continuación durante la carrera impelente de cada émbolo.

Browne y Bamforth [Browne y Bamforth, 1977] registraron sobre papel esta función. En sus registros se aprecia que dicha función presenta la forma de una serie de pulsos (Figura 2-7), correspondiendo cada uno de ellos a una carrera impelente de uno de los émbolos.

Figura 2-7. Presión a la salida de una bomba de hormigón [Browne y Bamforth, 1977]

Registros similares se presentan en publicaciones más recientes, tales como las de Kaplan [Kaplan, 1999], Bracher [Bracher, 2003] o Feys el al. (Figura 2-8, [Feys et al. 2009]), que incluso han trabajado con otros tipos de mezclas (autocompactantes, con fibras, etc.)

Si se amplía la escala de tiempos (eje horizontal) de uno de estos registros se observan cuatro tramos en la curva resultante (Figura 2-9, tomada de [Rodriguez y Río, 2007]).

i) Uno de baja presión, aproximadamente plano, correspondiente al final de la carrera impelente de uno de los émbolos y al comienzo de la del otro.

ii) Otro de subida rápida, seguida en ocasiones de oscilaciones amortiguadas, correspondiente al inicio del contacto émbolo-hormigón en la carrera impelente.

iii) Otro de alta presión, aproximadamente plano (carrera impelente)

iv) Finalmente, uno de caída rápida de la presión, correspondiente al final de la carrera impelente.

Figura 2-8. Presión a la salida de una bomba alternativa de hormigón y detalle durante el cambio del tubo oscilante [Feys, 2009]

En la citada curva se distinguen también tres valores o parámetros característicos: i) pp, presión de pico o presión máxima.

ii) pv, valor mínimo que se produce a continuación de ese máximo de la presión. Tanto pp

como pv toman valores que en principio se supone que están relacionados con el

comportamiento en régimen transitorio al inicio de cada carrera impelente.

iii) pvk, presión a velocidad constante, correspondiente a la presión de bombeo en régimen

estacionario, es decir, a la que sería necesaria para mover por el circuito la mezcla bombeada si su caudal (y por tanto su velocidad) fuese totalmente constante.

Es necesario destacar que si bien la forma general de los pulsos de presión se ha mantenido desde que existen registros de los mismos, la duración del tramo a de la curva de la Figura 2-9 ha ido acortándose conforme ha ido progresando la técnica, siendo de duración prácticamente nula en la actualidad.

Figura 2-9. Pulso de presión. Parámetros característicos [Rodríguez y Río, 2007]

2.3.2 Análisis del funcionamiento1

Del análisis de los circuitos hidráulicos de la bomba (véase la Figura 2-10, donde se han representado los cilindros alineados para una mejor visualización de las relaciones entre presiones y desplazamientos en los distintos puntos), y de la consideración de la ecuación de equilibrio de fuerzas hidrostáticas, resulta que las presiones p2, p3 y p4 en los puntos 2, 3 y 4, o

en general las presiones pi y pj en dos puntos i y j, están relacionadas entre sí por la ecuación

(2-1):

Figura 2-10. Desarrollo y detalle del bloque de bombeo de la Figura 2-6 en el instante en que el émbolo 1 es aspirante y el émbolo 2 es impelente. Nota: se han resaltado en color y rodeado de un círculo las variables que se pueden medir de forma directa.

1

En el anexo I se realiza un análisis más detallado del funcionamiento del funcionamiento y las relaciones entre presiones en este tipo de bombas, del que este apartado es un resumen.

0 pp pvk pv a b c d p t 0 pp pvk pv a b c d p t

(2-1)

Dónde:

pi es la presión en el punto i,

pj la presión en el punto j,

Aji es el cociente Aj/Ai, siendo Ai el área del émbolo al que se aplica la presión pi y

Aj el área del émbolo al que se aplica la presión pj, y

es una presión aproximadamente constante, que modeliza las fuerzas de rozamiento, incluyendo también en ciertos casos la presión de retorno al tanque.

Dado que p8, presión de hormigón a la salida de la bomba (ver la Figura 2-10), es

aproximadamente igual a p2, presión en la cara del émbolo impelente en contacto con el

hormigón, se desprende que p8 podría estimarse a partir de las presiones medidas en los

puntos 3 y/o 4 (p3 y/o p4).