BOMBAS (pumps)

 

Fundamento teórico

Las bombas se incluyen en un sistema de tuberías para convertir energía mecánica (suministrada por un mecanismo impulsor) en energía hidráulica. Esta energía adicional permite transmitir un fluido de un lugar a otro cuando no es factible que fluya por gravedad, elevarlo a cierta altura sobre la bomba o recircularlo en un sistema cerrado. En general, el efecto de una bomba en un sistema es incrementar la energía total en una cantidad H, como se muestra en la figura 1

 

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Figura 1. Efecto de una bomba en un sistema.

Se suelen encontrar bombas en muchos proyectos de ingeniería tales como abastecimiento de agua, trabajos de disposición de aguas residuales, sistemas de enfriamiento y juegan además un papel muy importante en la extracción de agua de lugares de construcción.

El tipo de unidad impulsora más común para una bomba es el motor eléctrico. Si la bomba y el motor están unidos, la velocidad de rotación de la bomba está determinada por la energía sincrónica del motor eléctrico. La relación entre la velocidad sincrónica n en rev/min, la frecuencia de la corriente suministrada f en Hz y el número de pares de polos p en el motor, está dada por

En algunas ocasiones en instalaciones grandes, se incluyen dispositivos para regular la velocidad de la bomba a un valor no sincrónico para lograr mayor eficiencia.

 

Definición de la cabeza de la bomba

La energía proporcionada por una bomba a un sistema se expresa como la cabeza equivalente del líquido que está siendo bombeado y se conoce como la cabeza total de la bomba. La cabeza total es la diferencia entre la cabeza de energía total a la salida y la cabeza de energía total a la entrada. Por ejemplo, para la figura 1 se tiene

Si la diferencia entre las cabezas de velocidad a la entrada y la salida es despreciada,

Relación bomba - sistema

Es necesario relacionar la cabeza de la bomba con las características del sistema en el cual se instala. Una instalación típica se muestra en la figura 2.

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TEL = Línea de energía total

HG = Gradiente hidráulico

HS = Cabeza estática a la entrada. Si, como se muestra en la figura 2, el nivel del agua en el tanque está sobre la bomba, HS es positivo. Si el nivel del tanque está debajo de la bomba (esquema punteado) HS será negativo

HD = Cabeza estática entregada

HTS = Cabeza estática total en el sistema = HD - HS (considerando el signo de HS)

hfS = Pérdida de energía a la entrada de la bomba, debida a fricción y a accesorios

hfD = Pérdida de energía del lado de descarga de la bomba, debida a fricción y a accesorios

Figura 2. Cambios en la energía y la presión de un sistema.

 

Se tiene que:

Cabeza de energía total a la entrada = HS - hfS

Cabeza de energía total a la salida = HD + hfD

Por lo tanto la cabeza total de la bomba H es:

H = (HD + hfD) - (HS - hfS)

H = HTS + (hfD + hfS)

H = cabeza estática total + pérdidas por fricción y locales totales en el sistema

Por conveniencia, la referencia para las mediciones verticales se toma en el eje de la tubería. La cabeza de velocidad a la entrada del tanque superior en el caso ilustrado ha sido incluido en hfD como una pérdida menor.

Si la cabeza estática a la entrada es negativa, la cabeza de presión a la entrada de la bomba será negativa. A medida que la presión desciende y se acerca a la presión de vapor del fluido, los gases antes disueltos en el fluido comienzan a salir y a formar burbujas. En una bomba esto suele ocurrir a la entrada del rodete. Cuando la presión comienza a incrementarse en la bomba, las burbujas se revientan (implotan) causando daños al interior de la bomba. Este fenómeno se conoce como cavitación. Si ocurre cavitación la bomba opera ineficientemente debido a una reducción en el área de flujo por la presencia de vapor; por tanto es necesario controlar la magnitud de la cabeza de presión a la entrada de la bomba.

 

Resistencia del sistema

Antes de escoger una bomba para una tarea determinada, es de gran utilidad representar la cabeza del sistema en una curva de resistencia del sistema. Dicha curva se obtiene sumando la cabeza estática total (HTS) y la cabeza total de fricción (hfS + hfD) para cierto rango de descargas (Q). Los resultados se presentan de forma gráfica en la figura 3.

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Figura 3. Curva de resistencia del sistema.

Si se utiliza una ecuación de fricción en tuberías de la forma hf = kQ2, la curva de resistencia es parabólica. Esta curva puede ser usada conjuntamente con las características de funcionamiento de la bomba para determinar las condiciones de operación.

Tipos de bombas

Todos los tipos de bombas pueden se clasificados en dos categorías principales: las bombas rotodinámicas y las bombas de desplazamiento positivo.

  1. Bombas rotodinámicas

Constan de un elemento rotor o rodete el cual imparte velocidad al fluido generando presión. Pueden ser centrífugas, de flujo axial, de flujo mixto y multietapas.

1.1. Bombas centrífugas

Llamadas así dado que la cabeza de presión es generada por acción centrífuga. El rodete está formado por una serie de aspas curvas ubicadas en ambos lados de los platos. El rodete gira dentro de la voluta como se muestra en la figura 4. El flujo entra a la bomba a través del centro u ojo del rodete y el fluido gana energía a medida que las paletas del rodete lo transportan hacia afuera en dirección radial. La voluta generalmente tiene forma de caracol para generar un incremento gradual en el área de flujo de tal manera que la energía cinética a la salida del rodete se convierte en cabeza de presión a la salida.

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Figura 4. Bomba centrífuga.

1.2. Bombas multietapas

Son el resultado de colocar varias bombas centrífugas idénticas en serie. Cada rodete imparte la misma cabeza al líquido y la cabeza total generada es proporcional al número de rodetes. Se utiliza un montaje vertical para bombear agua de pozos profundos.

1.3. Bombas de flujo axial

El líquido entra en dirección axial y la fuerza centrífuga no juega ningún papel en la generación de la cabeza. El movimiento helicoidal impartido por el rodete al fluido es contrarrestado por los álabes fijos y la descarga se encuentra nuevamente en la dirección axial.

El ángulo de inclinación de las aspas tiene gran influencia sobre la cantidad descargada: a menor ángulo, menor cantidad para una velocidad dada.

Las bombas de flujo axial generalmente se ubican suspendidas sobre el pozo de succión con la campana de succión y el rodete sumergidos.

El rotor tiene la forma de un propulsor de barco.

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Figura 5. Bomba de flujo axial.

1.4. Bombas de flujo mezclado

Este tipo de bombas ha sido desarrollado para realizar actividades que se encuentran entre el alcance de las bombas centrífugas y el de las de flujo axial; por consiguiente, el flujo es en parte radial y en parte axial. Para evitar problemas de cavitación con las bombas de flujo axial y de flujo mezclado se deben tomar muchas precauciones en el diseño del pozo de succión y en la localización del rodete con respecto al nivel del agua. La apariencia de una bomba de flujo mezclado es muy similar a la de una bomba axial.

2. Bombas de desplazamiento positivo

Funcionan como el resultado de cambios volumétricos en la bomba. Los ejemplos más comunes de este tipo de bomba son las bombas de pistón en las cuales el pistón desplaza un volumen dado de fluido con cada golpe. En la actualidad estas bombas son poco utilizadas por las desventajas que presentan frente a las bombas rotodinámicas, como se muestra en la tabla 1.

Tabla 1. Comparación entre bombas de desplazamiento positivo y rotodinámicas.

Bombas de desplazamiento positivo

Bombas rotodinámicas

Flujo no permanente debido a la acción de la bomba

Flujo permanente

No puede operar contra una válvula cerrada: para o falla.

Puede operar contra una válvula cerrada. La energía creada de esta manera se convierte en calor.

Para una tarea determinada es más grande que una bomba rotodinámica.

Para una tarea determinada es más pequeña que una bomba de desplazamiento positivo.

No puede bombear fluidos que contengan sólidos.

Puede bombear mezclas de sólidos y líquidos, como por ejemplo aguas residuales.

 

Punto de operación

El punto de operación es el punto de intersección de la curva de resistencia del sistema y la curva característica cabeza/descarga (H/Q) de la bomba, graficadas en el mismo sistema de coordenadas H Vs. Q como se muestra en la figura 6.

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Figura 6. Punto de operación de una bomba.

No siempre es posible ajustar el sistema a una bomba disponible de tal manera que el punto de operación coincida con el de mayor eficiencia. Las casas manufactureras de bombas suministran diagramas que indican el rango adecuado de operaciones para cada bomba.

 

Curvas de isoeficiencia

Si es posible probar una bomba para diferentes velocidades, la relación H/Q para cada velocidad puede ser graficada como se muestra en la figura 7. Si los valores de eficiencia para los puntos probados se ubican en las curvas H/Q, entonces las líneas de igual eficiencia se pueden dibujar como se observa y son conocidas como curvas de isoeficiencia. De esta manera se muestra en un sólo diagrama la relación entre cabeza, descarga, velocidad y eficiencia.

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Figura 7. Curvas de isoeficiencia.

Bombas en paralelo

Si dos o más bombas idénticas se conectan en paralelo, la cabeza a través de cada bomba es igual y el caudal se distribuye por igual entre las bombas. La curva combinada H/Q se muestra en la figura 8a. Si la resistencia del sistema se dibuja sobre la curva combinada H/Q para la operación en paralelo como se muestra en la figura 9a, se puede observar que el caudal no se ve incrementado en proporción al número de bombas funcionando. Por ejemplo, en un sistema de tres bombas, dos bombas operando aportan más de las dos terceras partes de la descarga de las tres bombas.

 

Bombas en serie

Si dos o más bombas idénticas se conectan en serie, la descarga pasa a través de cada bomba por turnos y soporta un incremento en la cabeza de HD/3 en cada bomba. Una curva H/Q combinada típica se muestra en la figura 8b. La interacción de este arreglo con el sistema se muestra en la figura 9b. Como en el caso de operación en paralelo la descarga total no se incrementa proporcionalmente con el número de bombas. Las bombas en serie son más adecuadas en sistemas con una curva de resistencia alta, por ejemplo, con alto contenido de fricción.

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                          a. Operación en paralelo.                                               b. Operación en serie

Figura 8. Bombas en paralelo y en serie.

 

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a. Operación en paralelo

 

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                                                                         b. Operación en serie

 

Figura 9. Varias bombas y resistencia del sistema.