Comprender la tecnología de la bomba de chorro de agua

Si está en el mercado para comprar o reemplazar un equipo de corte que incorpore bombas de chorro de agua, aquí hay algunas cosas en las que debe pensar.

La bomba es el corazón de la máquina y el segundo costo operativo más alto si está cortando con abrasivo. Si usa corte solo con agua, entonces es la mayor parte de su costo operativo. La inversión inicial en el equipo no es tan importante como el gasto operativo continuo. Los ahorros del 10 al 20 por ciento por adelantado pueden terminar costándole 10 veces esa cantidad durante los próximos años de operación.

Tres tecnologías principales de bombas de chorro de agua dominan en la industria. Las primeras en el mercado fueron las bombas intensificadoras hidráulicas inventadas por el cofundador de OMAX®, el Dr. John Olsen, mientras trabajaba en Flow Research Inc. en la década de 1970. Veinte años más tarde se inventó la tecnología de bombas de transmisión directa y comenzó la carrera.

En 2008, Techni Waterjet Company en Australia desarrolló la servobomba eléctrica. La bomba Techni ahora se llama Quantum SPT. El propietario vendió la empresa de máquinas y solo posee la empresa de bombas, que se llama Quantum SPT.

Bombas intensificadoras hidráulicas

La primera desarrollada, la bomba intensificadora hidráulica, sigue siendo la más popular, principalmente porque es el producto más común que ofrecen los fabricantes de máquinas e integradores; fue la única bomba disponible para los integradores de máquinas durante años. El integrador de máquinas puede comprar una bomba lista para usar e integrarla en sus máquinas. Recientemente, algunas pequeñas empresas comenzaron a ofrecer bombas de transmisión directa a los integradores, pero muy pocas han ido en esa dirección todavía.

El tipo de bomba tiene un diseño muy simple. Un cilindro hidráulico con un émbolo en cada extremo del pistón se mueve de un lado a otro con un paquete hidráulico impulsado por un motor eléctrico. Cada émbolo se empuja a través de un cilindro que alberga válvulas de retención de entrada y salida de agua. A medida que un émbolo/cilindro fuerza el agua fuera de la válvula de retención, el otro atrae el agua hacia el cilindro. El proceso se repite cuando el cilindro hidráulico cambia de dirección.

El agua se recoge de las dos líneas de salida y se acumula en un atenuador. El atenuador almacena energía en el agua comprimida y expulsa parte del agua almacenada mientras los émbolos se invierten al final de cada carrera. Esto da como resultado una señal de presión más suave y un impacto reducido en los accesorios y componentes de alta presión. La mayoría de las bombas intensificadoras hidráulicas funcionan entre 60 y 100 carreras por minuto.

Bombas de accionamiento directo

La bomba de transmisión directa es impulsada por un motor eléctrico con una correa de distribución a un cigüeñal. La manivela impulsa tres émbolos en cilindros. Cada combinación de émbolo/cilindro tiene una válvula de retención que permite que entre agua en el cilindro en la carrera trasera del émbolo y fuerza el agua hacia las líneas de alta presión. Las tres líneas de alta presión alimentan un acumulador para reducir el efecto pulsante de la fusión de estas líneas.

Las bombas de transmisión directa funcionan a alrededor de 1400 SPM y, por lo tanto, no han tenido la mejor reputación en cuanto a la vida útil del sello.

Servobombas eléctricas

La servobomba eléctrica es como un intensificador hidráulico, ya que se mueve de un lado a otro a solo 60 a 100 SPM, lo que produce un desgaste relativamente bajo en los sellos y genera agua en cada extremo de la unidad.

Las dos principales diferencias entre las tecnologías es que la servobomba eléctrica tiene una eficiencia del 90 % porque utiliza un servomotor eléctrico en lugar de un sistema hidráulico que mueve los émbolos con una eficiencia del 60 al 65 %. Además, la servobomba eléctrica casi no extrae energía cuando la boquilla está cerrada, mientras que el intensificador hidráulico sigue haciendo funcionar su unidad hidráulica con un 50 por ciento de energía.

Uso eléctrico

Los tres tipos de bombas utilizan la electricidad de manera diferente.

Una bomba intensificadora hidráulica usa más electricidad para generar el mismo flujo de agua que las otras dos tecnologías debido a la eficiencia del sistema hidráulico de solo 60 a 65 por ciento. Una bomba de 50 HP empuja aproximadamente la misma cantidad de agua que una bomba de transmisión directa de 40 HP o una servobomba eléctrica de 30 kW. Las bombas intensificadoras hidráulicas utilizan alrededor del 50 por ciento de la energía cuando están muertas mientras atraviesan o cargan/descargan la mesa. Por lo tanto, está pagando por la electricidad todo el tiempo que la bomba está encendida, ya que la bomba hace circular el aceite hidráulico para mantenerlo frío.

Cuando enciende una máquina con una bomba de transmisión directa, comienza a usar electricidad inmediatamente hasta que apaga la máquina al final del día. Ya sea que se trate de cortar, atravesar o cargar/descargar material. La bomba extrae carga completa continuamente.

Una servobomba eléctrica es la más eficiente eléctricamente. Utiliza electricidad solo cuando la boquilla está cortando. Cuando está muerto durante el desplazamiento o la carga/descarga, utiliza menos del 5 por ciento de la energía.

A continuación, se muestra una comparación del uso eléctrico durante un período de una hora con la misma salida de agua y utilizando el promedio de la industria del 60 % de tiempo de funcionamiento de la boquilla.

Entonces, durante una hora, la servobomba eléctrica usa aproximadamente un 30 por ciento menos de electricidad para producir los mismos resultados.

Uso del agua

Al evaluar el uso del agua, debe considerar tanto el agua de corte como el agua de refrigeración.

A menudo, tiene sentido desde el punto de vista económico considerar los enfriadores de agua para reducir el volumen de agua necesario para enfriar una bomba. Algunos municipios limitan la cantidad de agua permitida por el desagüe.

En el corte abrasivo, el agua actúa como portador del abrasivo. Dado que el abrasivo es lo que está haciendo el corte, cuanto más volumen de agua tenga, más abrasivo podrá llevar y más rápido cortará. (Esto es, por supuesto, hasta que sature en exceso el chorro de agua, momento en el que en realidad cortará más lentamente).

En general, las servobombas eléctricas requieren menos agua para lograr el mismo resultado, lo que es mejor para el medio ambiente y para sus resultados.

Mantenimiento y reconstrucción de bombas

Las reconstrucciones de bombas pueden ser costosas y llevar mucho tiempo. Las tres tecnologías tienen grandes diferencias en el costo operativo por hora, el tiempo que lleva reconstruir la bomba y el intervalo recomendado entre reconstrucciones.

Las bombas intensificadoras hidráulicas están disponibles como de alta o ultra alta presión (60 000 PSI o 87-94 KSI). La ultra alta presión es buena para el corte solo con agua y, a menudo, se promociona como buena para el corte abrasivo. Puede obtener un corte de 2 a 5 por ciento más rápido con abrasivo, pero duplicará sus costos operativos. La mayoría de las bombas de ultra alta presión funcionan a 75 KSI en lugar de sus intensidades nominales porque el aumento del costo es demasiado alto para justificar el aumento de la producción.

Si utiliza una presión de 60 KSI, el costo operativo de una bomba de 50 HP es de aproximadamente $6 a $8 por hora y de $10 a $12 por hora para una de 100 HP. Si opera una unidad de ultra alta presión a 87 o 94 KSI, puede duplicar los costos.

Además de la bomba, debe considerar el mantenimiento del propio sistema hidráulico, que costará entre $1,50 y $2 por hora.

Un intensificador hidráulico requiere reconstrucción cada 500 a 700 horas de corte en condiciones normales (8 horas x 60 por ciento de ciclo de trabajo = 4,8 horas, 500/4,8 = 104,17 días de trabajo). Se estima en dos a tres horas para reconstruir. Tenga en cuenta que también necesita mantener el sistema hidráulico.

Las bombas de transmisión directa funcionan constantemente y, por lo tanto, usan la vida útil del sello el 100 por ciento del tiempo que están encendidas. El funcionamiento de una bomba de 20, 30 o 40 HP cuesta alrededor de $3,75 a $4 por hora. Una de 50 HP cuesta entre $ 5,50 y $ 6 por hora. Si usa una bomba doble o la de 100 HP, duplique estas cantidades. El intervalo entre reconstrucciones es de aproximadamente 500 horas, a menos que tenga un modelo específico que tenga una clasificación de 1000 horas y lo ejecute a 55 KSI y no a los 60 KSI para los que está clasificado. Tenga en cuenta que estos son tiempos de encendido de la máquina y no tiempos de corte, ya que la bomba está bombeando agua por la boquilla o por el desagüe. Si ejecuta un turno, debe tener alrededor de 60 días hábiles entre reconstrucciones (500 horas/8 horas = 62,5 días).

Las bombas de accionamiento directo pueden tardar de dos a cuatro horas en reconstruirse.

El funcionamiento de una servobomba eléctrica individual cuesta de $2,30 a $2,50/hora y el de una bomba doble de $4,50 a $5/hora. Tiene una clasificación de menos de cinco minutos para reconstruir por extremo. En realidad, la reconstrucción lleva de 15 a 20 minutos por extremo. La bomba está clasificada para ser reconstruida cada 500 a 600 horas de tiempo de corte, por lo que debe usar la tabla de ciclo de trabajo para determinar con qué frecuencia necesitará reconstruir su bomba (8 horas x 60 por ciento de ciclo de trabajo = 4,8 horas, 500 /4,8=104,17 días laborables, por ejemplo).

Picos de presión de cabeza muerta

Los picos de presión del cabezal muerto ocurren cuando el cabezal de corte se detiene para realizar un recorrido transversal o para cargar/descargar material. Cuando el cabezal de corte cierra la válvula, la presión aumenta. Este pico causa estrés en todas las tuberías y componentes, como piezas giratorias, líneas y válvulas de encendido/apagado. Cuantas más piezas tenga en su parte, más efecto tendrá el pico en su costo de operación. Cuanto más alto sea el pico, peor será el efecto en las tuberías de la bomba.

Las bombas de transmisión directa tienen un pico de presión de cabeza muerta que es difícil de determinar. La mayoría de las máquinas funcionan a alrededor de 3500 PSI, pero esto también puede verse afectado por un mantenimiento deficiente de la válvula de descarga.

Las bombas intensificadoras hidráulicas alcanzan un pico de alrededor de 4500 a 4700 PSI para configuraciones de bomba simple y doble.

Las servobombas eléctricas individuales alcanzan picos inferiores a 1000 PSI y inferiores a 500 PSI para bombas dobles.

Sumar el costo de operación y la cantidad de tiempo requerido para mantener cada bomba lo ayudará a elegir la tecnología de bomba de chorro de agua más eficiente para sus operaciones.

Dan Smith es propietario de Waterjet World Inc., 4143 Cedar Springs Road, Burlington, Ontario. L7P 0P6, 844-427-6381, www.waterjetworld.ca.