Bombas Sumergibles

I. INTRODUCCION.

El propósito de un cárcamo de bombeo es el de recibir, almacenar temporalmente si esto es requerido y enviar las aguas residuales a través de un sistema de drenaje o hacia una planta de tratamiento.

Los tipos mas conocidos son los cárcamos secos y los cárcamos húmedos, los primeros fueron utilizados en Estados Unidos y utilizaban un cárcamo para colectar las aguas negras y otro cárcamo para la instalación del equipo de bombeo (las bombas que son capaces de bombear sólidos requieren un elevado NPSH, por lo que se instalan siempre en succión positiva), los cárcamos húmedos son ampliamente utilizados en Europa que es donde tienen su origen las bombas sumergibles, un cárcamo húmedo tiene las funciones de colectar las aguas residuales y alojar al equipo de bombeo, el cual es capaz de operar completamente sumergido en el líquido que se esta bombeando.

La aplicación más común para bombas sumergibles pequeñas es en el desalojo de agua residual de tanques sépticos, las unidades de mayor tamaño son utilizadas en una amplia variedad de instalaciones en edificios comerciales, escuelas, unidades habitacionales, plantas industriales y sistemas municipales de colección de agua residual y de lluvia.

Ventajas del uso de bombas sumergibles en cárcamos húmedos contra bombas en cárcamos secos.

La necesidad de un solo cárcamo para colectar las aguas negras y alojar el equipo de bombeo reduce los costos de excavación y elimina la necesidad de construir sobre el nivel del piso.

Las bombas sumergibles están diseñadas para operar bajo el líquido que se esta bombeando lo cual elimina los problemas de inundación en el cuarto de máquinas.

Los sistemas de izaje permiten al personal de mantenimiento remover, inspeccionar y dar servicio, a la bomba (o bombas) sin tener que entrar al cárcamo. Lo anterior reduce el riesgo de accidentes durante el servicio.

Los controles pueden ser instalados directamente sobre la estación de bombeo o en un lugar remoto.

1

Bombas Sumergibles

El ruido emitido al operar los equipos es mínimo pues al estar los cárcamos a nivel del piso y las bombas bajo él liquido que se esta bombeando el ruido es casi imperceptible.

Se eliminan los problemas por atascamiento en tubería de succión pues en las bombas sumergibles no se requiere.

Una bomba sumergible es una unidad compacta, debido a que el motor eléctrico y la bomba están directamente acoplados eliminándose problemas por desalineamiento, tan comunes en bombas que utilizan largas flechas de acoplamiento.

Componentes de una estación de bombeo de aguas residuales.

Bombas Sumergibles; Tienen la función de mantener un nivel de agua dentro del cárcamo desalojando el agua que ahí se colecta. Estas bombas deben ser propiamente dimensionadas conocidas las condiciones de operación, es decir flujo de agua a manejar (gasto) y punto de descarga (CDT).

Tablero de Control; Tiene la función de controlar el arranque, paro, alternado y simultaneado del equipo de bombeo de acuerdo a los niveles dentro del cárcamo, sirve también como medio de protección e interface con el operario.

Controles de Nivel; Más comúnmente conocidos como “peras”, son los responsables de enviar señales de arranque, paro, alternado y simultáneo hacia el tablero de control.

Caja de Válvulas; Dentro de esta se alojan las válvulas check y de compuerta para tener un acceso fácil para revisión y mantenimiento.

Pluma; Puede instalarse fijamente en la parte superior del cárcamo para remover de manera fácil y rápida los equipos de bombeo para revisión y mantenimiento.

II. Partes Constitutivas de una Bomba Sumergible.

Sólo se indican las partes que hacen la diferencia entre las bombas sumergibles y las horizontales.

Sello de Resina Epóxica; Adicionalmente al cable submarino y los “O” rings se utiliza un sello de resina epóxica el cual evita la entrada de agua hacia la unidad motriz (motor eléctrico) aun cuando los cables fueran seccionados.

Una bomba sumergible opera siempre bajo el líquido que se esta bombeando, por lo que a simple vista no podemos determinar si la bomba trabaja adecuadamente, debido a esto nuestros modelos de la serie L incorporan dispositivos de autoprotección, los cuales son:

2

Bombas Sumergibles

Sensores Térmicos; mediante sensores térmicos se impide un sobrecalentamiento inadmisible del embobinado del motor. El sobrecalentamiento puede ser consecuencia del atascamiento del impulsor o debido a condiciones anormales el suministro de energía eléctrica.

Sensores de Humedad; los sensores de humedad se encuentran instalados en la cámara de aceite y son dispositivos que nos sirven para detectar la presencia de agua debida a falla o desgaste del sello mecánico inferior. Cuando este sensor es activado se envía una señal eléctrica hacia el tablero de control el cual nos indicara la falla mediante una luz esto para que se tenga presente que ese sello debe ser cambiado lo antes posible.

Pintura Epóxica; Todos nuestros equipos de bombeo tienen un recubrimiento final de pintura epóxica.

Cámara de Aceite; Su función es la de lubricar y enfriar los sellos mecánicos para prolongar su vida útil, además de que sirve como medio de detección de humedad.

En nuestra serie L que es para servicio pesado o continuo dos sellos mecánicos uno en la parte hidráulica de la bomba y el otro dentro de la cámara de aceite incrementando la protección hacia el motor eléctrico. En las bombas sumergibles el sello mecánico evita la entrada de agua hacia el motor eléctrico evitando cualquier riesgo de corto circuito.

III. Terminología de Uso Común en Bombas Sumergibles.Impulsor Inatascable; Este tipo de impulsores tiene una separación lo suficientemente amplia para permitir el paso de sólidos de tamaño relativamente grande (1 ½” a 4”).

Paso de Esfera; Este termino nos indica el tamaño de sólidos que pueden pasar a través de los pasajes del impulsor de la bomba.

Nivel de Sumergencia; Es la distancia desde la succión de la bomba hasta el nivel mínimo de agua dentro del cárcamo. Este nivel se indica en nuestras bombas de la serie L, en las bombas de las series A y C no se indica, sin embargo se debe considerar un nivel tal que la bomba quede cubierta por el líquido a bombear, lo anterior garantiza un adecuado enfriamiento y se evita la formación de vórtices (remolinos) que introducen aire al impulsor de la bomba reduciendo su eficiencia y capacidad.

Cavitación; se define como la formación de burbujas de aire en el seno del líquido. En las bombas centrifugas cuando el líquido fluye a través de la línea de succión y entra al ojo del impulsor ocurre un incremento de velocidad, este desde luego acompañado por una reducción de presión. Si la presión se reduce a un valor igual o menor al de la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo, el líquido cambiara a vapor formando burbujas que se colapsaran

3

Bombas Sumergibles

cuando el líquido entre en la zona de alta presión del impulsor, este colapso transfiere energía en forma de choques que pueden destruir el metal provocando picaduras que es lo que se conoce como daño por cavitación.

Además del daño mecánico que se produce en el impulsor, la cavitación es acompañada por perdida de carga eficiencia y ruido.

Para evitar este fenómeno el equipo de bombeo debe tener una NPSHD mayor que la NPSHR.

NPSH; La Carga Neta Positiva de Succión mejor conocida por sus siglas en ingles (Net Positive Suction Head) se define como la energía mínima en el ojo del impulsor para que la bomba no cavite.

Esta energía mínima o carga que provoca el flujo proviene de la presión atmosférica (en succión negativa) o de la carga estática más la presión atmosférica (en succión positiva).

¿Que tipo de succión tenemos en una instalación de bomba sumergible?

Existen dos valores de NPSH a considerar:

NPSHR; El NPSH requerido es una función del diseño de la bomba, este varia entre bombas de diferentes marcas, entre bombas de la misma marca y con la capacidad y velocidad de cualquier bomba. Este valor debe ser proporcionado por el fabricante del equipo de bombeo.

NPSHD; El NPSH disponible es una función del sistema en el cual la bomba opera y puede ser calculado para cualquier instalación. Las bombas instaladas deben tener un NPSHD mayor o igual al NPSHR para evitar el problema de cavitación.

No es practica común de ningún fabricante de bombas sumergibles para aguas negras el indicar el NPSHR, lo que se menciona es el nivel de sumergencia el cual cubre y excede el valor de NPSHR para todo el rango de operación de la bomba. Este termino ya ha sido mencionado.

Presión de Vapor; Es la presión a la cual un líquido cambia de fase a vapor, esta presión esta también en función de la temperatura.

Aguas Negras; Son las aguas suministradas a una población las cuales una vez que han sido aprovechadas para diversos usos han quedado impuras. Desde el punto de vista de su origen son una combinación del líquido y desechos arrastrados por el agua de casas habitación, edificios comerciales, industrias, etc. a los que se agregan las aguas subterráneas, superficiales y las de lluvia.

4

Bombas Sumergibles

Lodo; Los sólidos depositados por las aguas negras o desechos industriales crudos o tratados acumulados por sedimentación en tanques y que contienen más o menos agua para formar una masa líquida.

Rejillas; Formadas por barras paralelas que pueden colocarse ya sea verticales o inclinadas en un cauce de agua para detener los desperdicios flotantes que pueden ser posteriormente retirados por medio de rastrillos.

IV. Selección de una Bomba Sumergible para Manejo de Agua Residual.

El bombeo de agua residual es un problema especial pues esta puede contener una gran cantidad de sólidos en suspención. Esta agua puede contener cualquier clase de material que puede ser descargado a través de un WC y cualquier material que pueda caer en los registros alcantarillas y canales abiertos, además de desperdicio industrial. Debido a lo anterior es siempre recomendable el instalar rejillas antes de los equipos de bombeo para evitar posible atascamiento en impulsores y obstrucción en tuberías de descarga.

Una consideración importante al realizar la selección de una bomba para agua residual es el paso de esfera, la eficiencia hidráulica es un factor de consideración aunque en estos casos es secundario, lo más importante aquí es la capacidad del equipo para el manejo de sólidos.

Para la adecuada selección del equipo de bombeo deben ser conocidas las condiciones de operación. Para el calculo del gasto debe realizarse un estudio de la cantidad de agua que llega al cárcamo así como el tiempo que se requiere para desalojarla, para el calculo de la CDT debe ser conocido el material y diámetro de la tubería considerada, así como la altura de descarga, longitud horizontal, además de accesorios utilizados en la línea de conducción.

Calculo de la CDT para una bomba sumergible.

Se conoce la formula para determinar el valor de la CDT que es:

CDT = hs + hfs + hd + hfd + v2 / 2g + hp

Como se menciono anteriormente para las bombas sumergibles no existe tubería de succión por lo que los valores de hs y hfs son iguales a cero y regularmente la descarga es a la atmósfera por lo que también el valor de hp

es igual a cero, por lo que finalmente la formula de la CDT queda como:

CDT = hd + hfd + v2 / 2g

5

Bombas Sumergibles

El valor de V2/2g se puede considerar despreciable para bombas de alta carga, sin embargo las bombas de aguas residuales generalmente entregan cargas bajas, por lo que este valor debe ser siempre considerado.

Por otro lado en el bombeo de aguas residuales se recomienda una velocidad mínima de circulación de 0.6 m/s para evitar sedimentación. Lo anterior para seleccionar un diámetro adecuado en la tubería de descarga.

La selección de una bomba centrifuga para una instalación en particular se debe realizar lo más cerca posible del BEP (Best Efficiency Point) o punto de mayor eficiencia el cual se encuentra generalmente a la mitad de la curva de comportamiento. La operación hacia los extremos debe evitarse. Si la bomba opera del lado derecho (baja carga y alto gasto) se tiene un mayor consumo de potencia.

En las bombas que si cuentan con protección térmica propiamente conectada puede ocurrir que el termostato se dispare y se detenga la bomba y una vez que se llega a la temperatura normal de funcionamiento el motor arranque nuevamente.

V. Ejemplo de Selección para una Bomba a Instalarse en un Cárcamo Húmedo.

Suponiendo las siguientes condiciones de operación:

Q = 200 gpmH = 35 ft

El cárcamo tiene las siguientes dimensiones:

De la familia de curvas del modelo LU-076 podemos observar que para estas condiciones de operación seleccionaremos el modelo de 5 HP a 1750 RPM y diámetro de impulsor de 170 mm por lo que el modelo completo será LU-076-054-170-W.

La selección se realiza de acuerdo al nivel mínimo dentro del cárcamo recomendado por el fabricante, si observamos el dibujo del cárcamo podemos notar que en el nivel simultaneo y el de arranque la altura de descarga disminuye a 28.43 ft y 31.79 ft para el punto de simultaneo y de arranque respectivamente, por lo que en esos puntos la bomba entrega un gasto mayor y a medida que el cárcamo se vacía el valor de gasto se acerca a los 200 gpm.

Lo anterior es de importancia debido a que nuestras bombas con la potencia indicada cubren toda la curva de comportamiento.

Ahora supongamos que para ese mismo diámetro de impulsor esta bomba trabaja tan solo contra una CDT de 5 ft (1.52 m). Esta carga esta fuera del rango mínimo recomendado, para esta carga tan baja el motor entrega un

6

Bombas Sumergibles

gasto elevado por lo que el consumo de potencia será mayor y provocara el disparo de los sensores térmicos para detener la operación de la bomba evitando que esta se dañe, por el contrario si este mismo modelo trabaja contra una carga de 60 ft (18.28 m) esta bomba no entregara flujo pues su carga a válvula cerrada (flujo cero) es de 55 ft.

Para el primer caso (alto flujo y carga baja) en el que la bomba opera fuera de su curva, se podría pensar que con cerrar la válvula de descarga se incrementan las perdidas y logramos entrar a la curva de comportamiento, sin embargo la estrangulación en una bomba que maneja sólidos no es recomendable pues al estrangular reducimos el área de paso en la tubería pudiendo obstruirla.

En el segundo caso puede incrementarse el diámetro de la tubería para reducir las perdidas por fricción, sin embargo esto no siempre es posible y en la mayoría de los casos es preferible el uso de un equipo de mayor tamaño (mayor carga).

Pluma

Cubierta de Acceso

Caja de Válvulas

Tubería de Descarga

Tubería de Entrada

Sistema de Izaje

Tablero de Control

Cárcamo de Bombeo

Cable de Fuerza

Interruptores de Nivel (“peras”)

Bombas Sumergibles Impel

VI. Análisis de Fallas.

Estado ILa bomba opera pero no entrega gasto.

Posibles causas:

7

Bombas Sumergibles

La bomba puede tener aire atrapado, esto ocasionalmente puede ocurrir en una instalación nueva, arranque y pare la bomba varias veces con la válvula de descarga abierta para purgar el aire.

La bomba no esta sumergida permita que entre más agua al cárcamo de manera que la bomba quede totalmente sumergida.

El impulsor puede estar girando en sentido contrario al correcto, verifique la rotación correcta.

Si la bomba no ha operado durante algún tiempo pero ha estado instalada es posible que la succión se encuentre obstruida. Retire la bomba y elimine la obstrucción.

La válvula de seccionamiento de la descarga puede estar cerrada, verifíquela.

Si la instalación cuenta con válvula de retención (check) esta puede estar atascada o tener el disco roto, revísela.

La CDT puede ser muy elevada, verifique la altura. La carga a válvula cerrada se indica en las curvas de comportamiento en el extremo izquierdo de la ficha técnica de cada modelo.

Estado II

8