BOMBAS

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería

Laboratorio de Energías Renovables y Plantas Térmicas

1. Introducción.

Una bomba es una máquina hidráulica generadora que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud.

Las bombas se clasifican en dos tipos principalmente:

• Bombas centrÍfugas • Bombas de desplazamiento positive

2. Bombas Centrífugas.

Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio llamado rodete o rotor en energía cinética y potencial requeridas. El fluido entra por el centro del rodete, que dispone de unos álabes para conducir el fluido, y por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba, que por el contorno su forma lo conduce hacia la tubería de salida o hacia el siguiente rodete (siguiente etapa).

Partes de una Bomba Centrífuga

3. Terminología • La cabeza H, es el trabajo neto realizado por unidad de peso de un fluido pasando por la

brida de succión hasta la brida de descarga, y está dada por:

Donde: p: Presión. γ: Peso específico del fluido. V: Velocidad promedio del fluido. g: aceleración de la gravedad. Z: Elevación respecto al nivel de referencia.

• Potencia P: Es la energía de la salida de la bomba que se da generalmente como potencia al fluido y está definida por:

Donde Q es caudal (cantidad en volumen de fluido por unidad de tiempo).

• Eficiencia η: Definida como la relación entre la potencia de salida del fluido con respecto a

la potencia de entrada al eje de la bomba.

τ: Torque transmitido al eje. ω: Velocidad angular. Esta es el producto de las eficiencias mecánicas, de caudal e hidráulica de la bomba. En los casos en que la potencia de entrada al eje es difícil de obtener o es un conjunto motor bomba, se puede hallar la eficiencia general o total, expresada de la siguiente manera:

4. Cargas y curvas de carga del sistema.

4.1. Cabeza estática

La carga estática significa una diferencia en elevación. Por tanto, la “cabeza estática total” de un sistema es la diferencia en elevación entre los niveles del líquido en los puntos de descarga y de succión de la bomba. La “carga estática de descarga” es la diferencia en elevación entre el nivel del líquido de descarga y la línea de centros de la bomba. Si la carga estática de succión tiene valor negativo porque el nivel del líquido para succión está debajo de la línea de centros de la bomba, se la suele llamar “altura estática de aspiración”. Si el nivel de líquido de succión o de descarga está sometido a una presión que no sea la atmosférica, ésta se puede considerar como parte de la carga estática o como una adición por separado a la carga estática.

4.2. Cabeza de fricción.

La carga de fricción (expresada en ft del líquido que se bombea) es la necesaria para contrarrestar las pérdidas por fricción ocasionadas por el flujo del líquido en la tubería, válvulas, accesorios y otros componentes como pueden ser los intercambiadores de calor. Estas pérdidas varían más o menos proporcionalmente al cuadrado de la velocidad del fluido en el sistema. También varían de acuerdo con el tamaño, tipo y condiciones de las superficies de tubos y accesorios y las características del líquido bombeado. Al calcular las pérdidas por fricción, se debe tener en cuenta que aumentan conforme la tubería se deteriora con el tiempo.

4.3. Pérdidas en la entrada.

Si la toma de la bomba está en un depósito, tanque o cámara de entrada, las pérdidas ocurren en el punto de conexión de la tubería de succión con el suministro. La magnitud de las pérdidas depende del diseño de la entrada al tubo. Una boca acampanada bien diseñada produce la mínima pérdida. Asimismo, en el lado de descarga del sistema cuando el tubo de descarga termina en algún cuerpo

de líquido, se pierde por completo la carga de velocidad del líquido y se debe considerar como parte de las pérdidas totales por fricción en el sistema.

4.4. Curvas de fricción y de cabeza del sistema.

Se utiliza la relación grafica entre la capacidad y las perdidas de carga de fricción para resolver problemas de bombeo. Las pérdidas de carga de fricción, por tanto, se calculan con algún flujo predeterminado, sea el esperado o el de diseño, y luego se calcula para todos los demás flujos con el empleo del cuadrado de la relación de flujo. La curva resultante se llama curva de fricción del sistema.

Curva de fricción del sistema

(Tomado del libro Bombas, Selección uso y mantenimiento Kenneth J.)

Cuando se combinan las cargas estáticas, la diferencia en presión y las pérdidas de carga de fricción de cualquier sistema, y se trazan contra la capacidad, la curva resultante se llama curva de carga del sistema. Al superponer una curva de capacidad contra carga de la bomba a velocidad constante sobre esta curva de carga del sistema se podrá determinar la capacidad en el punto en que se cruzan las dos curvas. Ésta es la capacidad que entregará al sistema la bomba a esa velocidad particular.

Relaciones entre necesidades del sistema y capacidad de la bomba

(Tomado del libro Selección uso y mantenimiento Kenneth J.)

Características del sistema para una carga estática variable

(Tomado del libro Bombas, Selección uso y mantenimiento Kenneth J.)

4.5. Leyes de semejanza.

Las relaciones que permiten predecir el rendimiento de una bomba a una velocidad que no sea la de característica conocida de la bomba, se llaman leyes de afinidad. Cuando se cambia la velocidad:

1. El caudal Q en cualquier punto dado en la característica de la bomba varía directamente con la velocidad, n.

2. La cabeza H varía en razón directa al cuadrado de la velocidad. 3. La potencia al freno P varía en razón directa al cubo de la velocidad.

En otras palabras, si se asigna el subíndice 1 a las condiciones en las cuales se conocen las características y el subíndice 2 denota las condiciones a alguna otra velocidad, entonces:

Estas relaciones se pueden utilizar sin peligro para cambios moderados en la velocidad. Sin embargo, quizá no sea igual de exactas para cambios grandes en la velocidad.

Hay leyes de afinidad similares para los cambios en el diámetro D del impulsor, dentro de límites razonables de reducción del impulsor. En otras palabras:

Ocurren ciertas desviaciones de estas leyes incluso con reducciones más o menos pequeñas.

4.6. Condiciones de Succión.

Es importante entender la forma como se relaciona la capacidad de succión de la bomba con las características de succión del sistema en que funcionará. Cuando se bombean líquidos, nunca se debe permitir que la presión en cualquier punto dentro de la bomba caiga a menos de la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo. Siempre se debe tener suficiente energía disponible en la succión de la bomba para hacer que el líquido llegue al impulsor y contrarreste las pérdidas entre la boquilla de succión y la entrada al impulsor de la bomba. En este lugar, los álabes del impulsor aplican más energía al líquido.

4.7. NSPH. (Cabeza Neta Positiva de Succión). Una característica adicional de la bomba es el numero NSPH que es la diferencia entre la presión existente a la entrada de la bomba y la presión de evaporación del líquido que se bombea. Esta diferencia es fundamental para el buen funcionamiento del equipo puesto que evita la cavitación y determina la presión de succión mínima que necesita la bomba para mantener un funcionamiento estable.

Patm: Presión atmosférica. Pvapor: Presión de vapor del fluido. hs: Altura de aspiración. ∆hf: Pérdidas de carga en la conducción. “Se debe asegurar que el NPSH disponible en el sistema sea mayor que el NPSH requerido por la bomba”.

4.8. Cavitación.

Si la bomba centrífuga trata de expulsar más líquido del que puede absorber se producirá un efecto de vacío en el interior de la bomba. Esto, obviamente, reducirá la presión por lo que se producirán burbujas de vapor (dicho de otra forma, cuando se alcanza la presión de vapor, el fluido se vaporiza y forma pequeñas burbujas de vapor) que principalmente rozarán a los álabes de los impulsores de la bomba, sin dejar de afectar otros componentes.

5. Disposición de Bombas.

5.1. Operación de bombas en paralelo.

En algunos casos es necesario operar bombas en paralelo para suplir necesidades como obtener mayores caudales. Normalmente este arreglo es muy eficiente, las características cabeza - capacidad de las bombas no necesitan ser iguale, pero si operarse en el rango estable de la curva característica. La curva característica resultante y la curva de carga del sistema, se logran sumando algebraicamente los valores del caudal que corresponden a un mismo valor de carga en las curvas de cada una de las bombas, esto se puede hacer para cualquier número de bombas. La conexión de bombas en paralelo resulta conveniente cuando se necesita varias gamas de caudal, porque es posible operar el número exacto de bombas que satisfaga la demanda en puntos de operación cercanos al de máxima eficiencia. La eficiencia total del sistema se puede calcular sumando las potencias hidráulicas de cada bomba y dividiendo por la potencia total suministrada a las bombas.

5.2. Operación de bombas en serie.

Se hace un arreglo en serie para suministrar mas cabeza que la que podría una sola bomba, lo cual se consigue conectando la descarga de una bomba a la succión de la otra, desde luego la segunda bomba trabaja con unas condiciones de presión mayores, por lo tanto puede requerir acondicionamientos especiales en los empaques, y entre otros. La curva cabeza – capacidad resultante, se obtiene al sumar los valores de Altura de cada una de las bombas para cada punto de funcionamiento específico, una medida de eficiencia total del sistema se calcula dividiendo la sumatoria de potencias hidráulicas de cada bomba entre la sumatoria de las potencias suministradas a las bombas.

6. Referencias bibliográficas.

• Diego Mora, Servio Campaña. “Banco de bombas centrífugas para ayudas

docente”. 1997.

• Kenneth J. Selección uso y mantenimiento de bombas.