UNIDAD V. SISTEMAS DE BOMBEO
5.1. DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN
Un sistema de bombeo consiste en un conjunto de elementos que permiten el transporte través de tuberías y el almacenamiento temporal de los fluidos, de forma que se cumplan las especificaciones de caudal y presión necesarias en los diferentes sistemas y procesos. En un sistema típico, además de las tuberías que enlazan los puntos de origen y destino, son necesarios otros elementos. Algunos de ellos proporcionan la energía necesaria para el transporte: bombas, lugares de almacenamiento y depósitos. Otros son elementos de regulación y control: válvulas y equipos de medida. Una bomba hidráulica es una máquina generadora que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido incompresible que mueve. La especificación básica que debe satisfacer un sistema de bombeo es el transporte de un caudal de un determinado fluido de un lugar a otro. Además, suele ser necesario que el fluido llegue al lugar de destino con una cierta presión, y que el sistema permita un rango de variación tanto del caudal como de la presión. El diseño de un sistema de bombeo consiste en el cálculo y/o selección de las tuberías, bombas, etc, que permitan cumplir las especificaciones de la forma más económica posible. En cuanto a la operación de un sistema de bombeo, hay que tener en cuenta los sistemas de regulación y control que permitan obtener el caudal y la presión deseados, así como los problemas de cavitación, inestabilidades y transitorios que se puedan producir. Las bombas se pueden clasificar de muchas maneras desde diferentes puntos de vistas pero en forma general: De desplazamiento positivo. Son aquellas que confinan un volumen de fluido y lo trasladan a otro lugar, dentro de este grupo se encuentran todas las bombas usadas en la oleo hidráulica y de uso frecuente en los quirófanos, en el bombeo del petróleo de los pozos profundos y las usadas en la industria pesada en general, bombeo de concreto, equipos pesados para movimientos de tierra, etc. Dinámicas. Son aquellas en que la transferencia de la energía se produce en una superficie mojada por el fluido en la que dicha superficie recibe el movimiento debido a la energía mecánica de rotación que recibe de un elemento motriz.
Tarea: agregar imágenes de cada tipo de bomba
Nomenclatura típica de una instalación de bombeo. Cualquier instalación de bombeo tiene dos lados perfectamente identificados: El lado de succión. Que comprende la parte de la tubería entre la válvula antiretorno y la boca de entrada de la bomba, en este lado no interviene la potencia de la bomba y la operación de llenado con fluido de la cámara de la bomba es solo responsabilidad de la presión atmosférica local. El lado de la impulsión. Que comprende entre la salida de la bomba y la salida del agua. El flujo en este lado es exclusivamente con la potencia de la bomba. A continuación se expondrán algunos de los términos más usados en la elección de bombas. ■ Caudal o capacidad de la bomba: es el volumen de líquido impulsado por una bomba en una unidad de tiempo [Q]. ■ Carga estática de succión: Es la distancia vertical desde el nivel de líquido de succión hasta la línea central de la bomba, ver figura. ■ Carga estática de descarga: Es la distancia vertical desde el nivel de líquido de descarga y la línea central de la bomba. ■ Carga estática total: Es la distancia vertical entre los niveles del líquido en los puntos de succión y descarga, ver figura. ■ Carga de fricción: Es la carga, expresada en unidades de longitud, necesaria para vencer la resistencia de las tuberías de succión, descarga y los accesorios que contenga el sistema. ■ Presión de succión: Se refiere a la altura desde la cual el fluido puede ser succionado por la bomba, pudiendo ser presión de succión positiva o negativa, dependiendo de la posición relativa de la bomba con el nivel el fluido. ■ Presión de descarga: Se refiere a la altura a la cual puede ser bombeado un fluido. ■ Carga de la bomba o altura de bombeo: Caracteriza a la energía específica cedida por la bomba al líquido.
Fig. 5.1 Esquema de los elementos de un sistema de bombeo.
5.2. CURVAS DE FUNCIONAMIENTO. El comportamiento hidráulico de una bomba viene especificado en sus curvas características que representan una relación entre los distintos valores del caudal proporcionado por la misma con otros parámetros como la altura manométrica, el rendimiento hidráulico, la potencia requerida y la altura de aspiración, que están en función del tamaño, diseño y construcción de la bomba. La Curva Característica de una Bomba Centrífuga, es un gráfico que representa la relación única de Carga – Caudal que garantiza la Bomba a determinada velocidad de rotación de su impulsor. Curvas de una bomba centrifuga con velocidad de rotación constante Las curvas características de una bomba centrifuga se presentan, representando gráficamente, la carga de la bomba, H, la potencia requerida o potencia al freno, N, y el rendimiento, η, con respecto al caudal, Q, a una velocidad de rotación constante. Estas curvas características se determinan, normalmente por los fabricantes, mediante ensayos de laboratorio. Las condiciones óptimas de operación de una bomba, se pueden obtener trabajando cerca del Punto de Máximo Rendimiento, PMR, es decir, donde la ordenada que pasa por el PMR, corta a la curva de carga de la bomba, tal como se muestra en la figura 5.2
Fig. 5.2. Curvas características de una bomba centrifuga de flujo radial Las gráficas que se muestran en las figuras 5.3 y 5.4 representan las curvas características de un bomba centrifuga de flujo mixto y de flujo axial respectivamente. En dichas gráficas se muestran el Punto de Máximo Rendimiento y el punto de operación en la que la bomba trabajará en condiciones óptimas.
Figura 5.3. Bomba centrifuga de flujo mixto
Figura 5.4. Bomba centrifuga de flujo axial
En las curvas características mostradas, se puede observar que el rendimiento de las bombas centrifugas cae con rapidez, cuando el caudal excede el PMR. En las bombas de flujo axial, figura 5.4, se puede observar que la curva de la carga de la bomba, cae bruscamente y que para el PMR, se tiene poca altura de bombeo y un caudal de trabajo alto.
En la figura 5.5 se muestra, las curvas de funcionamiento de una bomba centrifuga, con una velocidad de rotación constante, n= 1450 rpm. Por lo general, los fabricantes de bombas centrifugas, proporcionan en una misma gráfica, más de un diámetro de impulsor; en la gráfica, por ejemplo, se muestran cuatro diámetros de impulsores diferentes. Además de las curvas de carga para diferentes diámetros de impulsor, también se incluyen las curvas de igual rendimientos o eficiencia.
Figura 5.5. Curva característica de una bomba centrifuga con curvas de igual rendimiento y con impulsores de diferentes diámetros.
La elección de una bomba centrifuga para condiciones determinadas depende de la velocidad de rotación del motor que la acciona. Los fabricantes de bombas proporcionan curvas en donde se muestran la carga de la bomba para distintas velocidades de rotación, un ejemplo de estas curvas se muestra en la figura 5.6. Esta gráfica permite encontrar la velocidad de rotación requerida y la eficiencia para cualquiera condición de carga de la bomba o caudal, dentro de los límites de la grafica.
Figura 5.6. Curva característica de una bomba centrifuga a varias velocidades de rotación con líneas de igual rendimiento.
Gráficas de curvas características compuestas. Como ya hemos visto, las bombas centrifugas pueden utilizar diferentes diámetros de impulsor y pueden trabajar a distintas velocidades de rotación. Es por ello que los fabricantes suministran al comprador un diagrama denominado gráfica de curvas características compuestas, en donde pueden cubrir una amplia variedad de requerimientos de caudal y carga con algunos tamaños básicos de bombas. En la figura 5.7, se presenta un ejemplo que muestra el alcance de funcionamiento de una línea de bombas centrifugas con distintos diámetros de impulsor y a dos velocidades de rotación diferentes.
Figura 5.7. Funcionamiento para una línea de bombas centrifugas (fuente: Goulds pumps)
En la figura 5.7 se muestra las curvas para una línea de bombas que permiten una determinación rápida del tamaño de la bomba. Por consiguiente, para cada tamaño de bomba especificada en este gráfico existe una gráfica de funcionamiento más detallada, como la que se muestra en la figura 5.8.
Figura 5.8. Curvas características para una bomba centrifuga de 2x2-5 y 3450RPM (fuente: Goulds pumps)
Forma en que se designa una bomba:
Curva de demanda del sistema La curva de demanda del sistema, es una gráfica de H=f (Q), que toma en cuenta el caudal, la carga estática total, la carga de fricción, la carga dinámica de todo el sistema y la presión deseada expresada en unidades de longitud. Esta curva es la forma más fácil y exacta de decidir cual es la bomba que mejor se adapta a una aplicación.
Para realizar la deducción consideremos un sistema como el que se muestra en la figura 5.9, en el que se tiene una tubería de un solo diámetro y una bomba para transportar un fluido entre dos depósitos. La curva de demanda del sistema para esta configuración o sistema de bombeo, se obtiene al aplicar la ecuación de Bernoulli desde E hasta S.
Figura 5.9. Sistema de bombeo.
Punto de operación de una bomba La forma en la que una bomba trabaja no depende solamente de las características de funcionamiento de la bomba, sino también de las características del sistema en el cual va a trabajar. Para obtener el punto de operación se debe graficar en un mismo papel, la curva característica de la bomba, con la curva de demanda del sistema. En la figura 5.10, se muestra la superposición de la curva característica de la bomba y de la curva de demanda del sistema en estudio. La distancia ΔZ, representa la diferencia de nivel entre los dos depósitos, cuando esta diferencia es nula la curva parte de cero.
Figura 5.10. Punto de funcionamiento de una bomba centrifuga.
El punto de intersección de las curvas determina los valores de la altura de bombeo, Hbombeo y el caudal de operación, Qoper. Este punto puede ser, o no, el punto de máximo rendimiento para la bomba. Si el punto de operación no esta cerca del Punto de Máximo Rendimiento, significa que la bomba no es la adecuada para las condiciones que se requieren y habrá que elegir otra bomba. Una bomba dada, en un sistema dado, sólo entregará el caudal correspondiente a la intersección de las curvas. Si el caudal de operación obtenido no es el que se requiere se tendrá que variar una de las curvas, es decir la curva característica de la bomba o la curva de demanda del sistema. Por ejemplo si tenemos una bomba que desarrolla una revolución n1, y al superponerla con la curva del sistema, nos da un caudal de operación, Q1, tal como se muestra en la figura 5.11. Se puede dar el caso que el caudal obtenido por dicha intersección, Q1, sea mayor al caudal que se requiere en el sistema. En este caso se puede disminuir las revoluciones del motor, si éste así lo permite, para obtener el caudal deseado, se obtendría de este modo unas revoluciones del motor n2, como se aprecia en la figura 5.11.
Figura 5.11.Variación de la velocidad de revolución. Otra opción, y en algunos casos mas viable, es variar la curva del sistema. Para lograr cambiar la curva del sistema, se debe generar mayor pérdida de carga, con una válvula de estrangulación, y la nueva curva del sistema se desplazará hacia la izquierda, tal como se muestra en la figura 5.12, hasta obtener el caudal deseado.
Figura 5.12.Variación de la curva del sistema.
5.3 SELECCIÓN DE EQUIPO Hoy en día no existe actividad humana en la que no estén presentes las bombas, por ejemplo en el sector industrial, hospitales, centros de generación de energía, en la construcción, servicios de abastecimiento de agua potable, sistemas de alcantarillado, etc. Debido a la gran diversidad de usos de tipos de fluidos a mover, existen numerosos grupos de modelos que se adaptan convenientemente a cada aplicación particular. Independientemente del tipo de bomba elegido, los elementos de la instalación de un sistema de bombeo son comunes a todos los tipos de bombas, por lo que se pueden estudiar en forma general sin referirse a un tipo en particular.
Existe un indicador, llamado velocidad específica, el cual se calcula con la finalidad de tener una idea general del tipo de bomba que se debe seleccionar en un sistema de bombeo. La velocidad específica es un número adimensional el cual es función del caudal, la velocidad de rotación o rpm del motor y la carga o altura de bombeo. La velocidad específica NS de una bomba se expresa en el sistema inglés, como:
En la figura se muestran unos impulsores típicos de bombas centrifugas y sus correspondientes velocidades específicas.
Velocidad especifica
Cuando el caudal se expresa en gpm, la velocidad de rotación en rpm y la carga en pies, las bombas centrifugas tienen velocidades específicas que van desde 500 hasta más de 10000 según sea el tipo de impulsor. Las bombas rotatorias y reciprocantes tienen valores más bajos. Las bombas centrifugas representan aproximadamente un 80% del mercado debido a que es la más adecuada para manejar más cantidad de líquido que la bomba de desplazamiento positivo.
5.4. FENOMENOS TRANSITORIOS Cavitación La cavitación es la evaporación de un líquido en una tubería cuando su presión disminuye por debajo de la presión de vapor. La cavitación es un factor importante que se debe evitar para el funcionamiento satisfactorio de una bomba. Cuando el líquido pasa por el impulsor de una bomba, se produce un cambio de presión. Si la presión absoluta del líquido cae por debajo de su presión de vapor, se producirá cavitación en el interior de la bomba. Las zonas de vaporización obstruyen el flujo limitando la capacidad de las bombas y puede producir el picado del impulsor. La cavitación se traduce por ruidos, vibraciones, disminución de la carga que suministra la bomba y de su rendimiento, y con el tiempo por una erosión del impulsor. Carga neta de succión positiva (NPSH Net Positive Suction Head) Para evitar la cavitación es necesario que la presión absoluta de succión de la bomba sea mayor que la presión de vapor del líquido a la temperatura de trabajo. La diferencia entre estas dos presiones, en unidades de longitud, es lo que se define como la carga neta de succión positiva o NPSH.
La presión que ejerce un líquido sobre lo que lo rodea depende de su temperatura. Esa presión llamada presión de vapor, es una característica propia de cada fluido y aumenta con la temperatura. Se definen dos cargas de succión positiva, NPSH, la que depende del sistema, y se le denomina NPSH disponible y la que suministra el fabricante, NPSH requerida.
N.P.S.H disponible La carga neta de succión positiva disponible NPSHD es función del sistema en el que trabaja la bomba y depende de la carga estática de succión, la carga de fricción de la succión y la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo. Si se varía cualquiera de estas cargas la disponible puede alterarse. Para obtener la expresión de la NPSH disponible, se aplica la ecuación de Bernoulli entre 1 y s
N.P.S.H requerida La carga neta de succión positiva requerida NPSHR, depende sólo del diseño de la bomba y es una característica que el fabricante proporciona junto con las otras curvas características vistas anteriormente. La NPSHR contempla una serie de variables como son: Forma, ángulo de ataque del impulsor, dimensiones en las zonas de succión, de modo de mantener la presión en la entrada en el rodete de la bomba por encima de la presión de vapor del líquido.
Tanto la carga neta de succión positiva requerida y disponible varían en función del caudal tal como se muestra en la figura 5.13
Figura 24. Curvas del NPSH disponible y NPSH requerido.
Se debe trabajar en el lado izquierdo del punto de intersección de ambas curvas, para evitar la cavitación de la bomba.
La NPSHD se reduce cuando el caudal va aumentando, esto es debido, a las pérdidas por fricción en la tubería de succión. Mientras que la NPSHR, que es función de la velocidad en la tubería de succión aumenta con el cuadrado de su capacidad. Cuando un sistema tiene un NPSHD< NPSHR, existe cavitación y la bomba no operará en forma óptima, por lo cual se debe resolver ese problema. Se pueden encontrar medios para aumentar la NPSH disponible, o bien reducir la NPSH requerido, o ambas cosas. Para aumentar la NPHS disponible se pueden seguir las siguientes sugerencias, cabe destacar que éstas van a depender del sistema que se esté trabajando.
Elevar el nivel de líquido Bajar la bomba. Reducir los accesorios y la longitud de la tubería de succión. Aumentar el diámetro en la succión. Si el líquido está caliente, se puede enfriar intercalando un intercambiador de calor, con lo que la presión de vapor del líquido disminuye.
Para aumentar la NPHS requerido se recomienda:
Velocidades de rotación de la bomba más baja. Impulsor de doble succión. Ojo del impulsor más grande. Varias bombas pequeñas en paralelo.
Tarea: golpe de ariete (características y medidas de prevención)
