Teoria Bombas sumergibles

1. 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.
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• Los controles pueden ser instalados directamente sobre la estación de bombeo o
en un lugar remoto.
• 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.
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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:
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.
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4. 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 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).
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¿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.
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
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6. Bombas Sumergibles
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
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.
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7. Bombas Sumergibles
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 gpm
H = 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 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
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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 I
La bomba opera pero no entrega gasto.
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9. Bombas Sumergibles
Posibles causas:
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
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