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  1. 1. Miguel Muñoz INTRODUCCIÓN A LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS
  2. 2. 2 Contenido 1 - INTRODUCCIÓN....................................................................................... 3 2 -TIPOS DE BOMBAS............................................................................... 4 3 - BOMBAS CENTRÍFUGAS......................................................................... 7 3.1 - FUNCIONAMIENTO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS........................... 7 4 - PASOS PARA LA ELECCIÓN DE UNA BOMBA................................ 12 5 - CONDICIONES DE OPERACIÓN.......................................................... 13 5.1 - CAUDAL ........................................................................................... 13 5.2 - ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL.................................................... 14 5.3 - RENDIMIENTO Y POTENCIA ABSORBIDA ................................... 17 5.4 - CURVAS CARACTERÍSTICAS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS........ 18 5.5 - ALTURA DE ELEVACIÓN DE UNA BOMBA .................................... 23 5.6 - PUNTO DE OPERACIÓN DEL SISTEMA ........................................ 24 5.7 - RELACIONES CARACTERÍSTICAS EN LAS BOMBAS CENTRÍGUGAS (LEY DE AFINIDAD) .............................. 26 5.8 - NPSH............................................................................................... 30 5.9 - CARACTERÍSTICAS DEL LÍQUIDO................................................ 34 5.10 - CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBA ............................................ 34 5.11 - FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE LAS BOMBAS............... 40 5.12 - FUNCIONAMIENTO EN SERIE DE LAS BOMBAS....................... 41 5.13 - SELECCIÓN DE UNA BOMBA....................................................... 42
  3. 3. 3 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. Existe una ambigüedad en la utilización del término bomba, ya que generalmente es utilizado para referirse a las máquinas de fluido que transfieren energía, o bombean fluidos incompresibles, y por lo tanto no alteran la densidad de su fluido de trabajo, a diferencia de otras máquinas como lo son los compresores, cuyo campo de aplicación es la neumática y no la hidráulica. Pero también es común encontrar el término bomba para referirse a máquinas que bombean otro tipo de fluidos, así como lo son las bombas de vacío o las bombas de aire. 2 -TIPOS DE BOMBAS La principal clasificación de las bombas se realiza atendiendo al principio de funcionamiento en el que se basan: Bombas de desplazamiento positivo o volumétricas, en las que el principio de funcionamiento está basado en la hidrostática, de modo que el aumento de presión se realiza por el empuje de las paredes de las cámaras que varían su volumen. En este tipo de bombas, en cada ciclo el órgano propulsor genera de manera positiva un volumen dado o cilindrada, por lo que también se denominan bombas volumétricas. En caso de poder variar el volumen máximo de la cilindrada se habla de bombas de volumen variable. Si ese volumen no se puede variar, entonces se dice que la bomba es de volumen fijo. A su vez este tipo de bombas pueden subdividirse en  Bombas de émbolo alternativo, en las que existe uno o varios compartimentos fijos, pero de volumen variable, por la acción de un émbolo o de una membrana. En estas máquinas, el movimiento del fluido es discontinuo y los procesos de carga y descarga se realizan por válvulas que abren y cierran alternativamente. Algunos ejemplos de este tipo de bombas son la bomba alternativa de pistón, la bomba rotativa de pistones o la bomba pistones de accionamiento axial.
  4. 4. 4  Bombas volumétricas rotativas o rotoestáticas, en las que una masa fluida es confinada en uno o varios compartimentos que se desplazan desde la zona de entrada (de baja presión) hasta la zona de salida (de alta presión) de la máquina. Algunos ejemplos de este tipo de máquinas son la bomba de paletas, la bomba de lóbulos, la bomba de engranajes, la bomba de tornillo o la bomba peristáltica.  Bombas rotodinámicas, en las que el principio de funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre la máquina y el fluido, aplicando la hidrodinámica. En este tipo de bombas hay uno o varios rodetes con álabes que giran generando un campo de presiones en el fluido. En este tipo de máquinas el flujo del fluido es contínuo. Estas turbomáquinas hidráulicas generadoras pueden subdividirse en: • Radiales o centrífugas, cuando el movimiento del fluido sigue una trayectoria perpendicular al eje del rodete impulsor. • Axiales, cuando el fluido pasa por los canales de los álabes siguiendo una trayectoria contenida en un cilindro. • Diagonales o helicocentrífugas cuando la trayectoria del fluido se realiza en otra dirección entre las anteriores, es decir, en un cono coaxial con el eje del rodete.
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  6. 6. 6 3 - BOMBAS CENTRÍFUGAS Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio llamado rodete en energía cinética y potencial requeridas. Aunque la fuerza centrífuga producida depende tanto de la velocidad en la periferia del impulsor como de la densidad del líquido, la energía que se aplica por unidad de masa del líquido es independiente de la densidad del líquido. Por tanto, en una bomba dada que funcione a cierta velocidad y que maneje un volumen definido de líquido, la energía que se aplica y transfiere al líquido, es la misma para cualquier líquido sin que importe su densidad. Por tanto, la carga o energía de la bomba en metros y es por eso por lo que se denomina genéricamente como "altura". Las bombas centrífugas tienen un uso muy extenso en la industria ya que son adecuadas casi para cualquier servicio. Las más comunes son las que están construidas bajo normativa DIN 24255 (en formas e hidráulica) con un único rodete, que abarcan capacidades hasta los 500 M3/h y alturas manométricas hasta los 100 metros con motores eléctricos de velocidad estándar. Estas bombas se suelen montar horizontales, pero también pueden estar verticales y para alcanzar mayores alturas se fabrican disponiendo varios rodetes sucesivos en un mismo cuerpo de bomba. De esta forma se acumulan las presiones parciales que ofrecen cada uno de ellos. En este caso se habla de bomba multifásica o multietapa, pudiéndose lograr de este modo alturas del orden de los 1200 metros para sistemas de alimentación de calderas. Constituyen no menos del 80 % de la producción mundial de bombas, porque es la más adecuada para manejar más cantidad de líquido que la bomba de desplazamiento positivo. No hay válvulas en las bombas de tipo centrífugo; el flujo es uniforme y libre de pulsaciones de baja frecuencia. 3.1 - FUNCIONAMIENTO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS Las bomba centrifuga consiste de un elemento móvil, denominado impulsor, donde un cierto número de alabes, dirigen el movimiento de las partículas de liquido. El impulsor gira en una cámara cerrada denominada caja o carcasa debido a la energía conferida por un motor, que puede ser eléctrico o de combustión interna. El liquido contenido entre los alabes, por efecto de la fuerza centrífuga, incrementa su energía cinética la cual se transforma parcialmente en energía potencial en la carcasa de la bomba. Para la conversión de velocidad en presión, se emplean los difusores, las volutas o los tazones, dependiendo del diseño de la bomba. Cuando se emplea un difusor, este consta de varios canales de sección variable que rodean al impulsor, fabricados en una sola pieza, tal como se observa en la Figura 1a.
  7. 7. 7 Cuando el canal es único, este tiene generalmente la forma de un espiral de sección variable y recibe el nombre de “caracol” o voluta, tal como se muestra en la Figura 1b. En el caso de los tazones, los canales demás de servir como medio para la conversión de caudal en presión, se utilizan como medio de conducción del líquido para la etapa siguiente.
  8. 8. 8 3.2 - CLASIFICACIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGAS Las bombas centrifugas se clasifican de acuerdo a los criterios mostrados en la Tabla1. Las bombas axiales no son bombas centrifugas, pero por tener un funcionamiento muy similar a ellas se han incluido en esta clasificación.
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  12. 12. 12 . 4 - PASOS PARA LA ELECCIÓN DE UNA BOMBA Los pasos básicos para la elección de cualquier tipo de bomba son: - Elaborar un diagrama de la disposición de bomba y tuberías. - Determinar el caudal de bombeo. - Calcular la altura manométrica total. - Estudiar las condiciones del liquido - Elegir la clase y tipo de bomba. Este procedimiento es explicado en detalle en los siguientes puntos.
  13. 13. 13 5 - CONDICIONES DE OPERACIÓN 5.1 - CAUDAL Para seleccionar equipos de bombeo, se deben determinar el caudal o los diversos caudales con que trabajarán estos equipos durante su vida útil. En proyectos de saneamiento, los caudales correspondientes a la vida útil de los equipos son los caudales del proyecto. Para la mayoría de las bombas el periodo de diseño es 10 años. En proyectos de agua potable, el caudal que se utiliza para la selección de bombas es, una proporción del caudal máximo diario en función del número de horas de bombeo, así: Donde: Qb = Caudal de bombeo, l/s. Qmax.d = Caudal máximo diario, l/s. N = Número de horas de bombeo. Para la selección de bombas en proyectos de aguas residuales, se deben tener en cuenta los siguientes caudales de la red de alcantarillado: caudal máximo del proyecto, caudal promedio inicial, caudal promedio del proyecto y caudal mínimo inicial. Las bombas deben tener la capacidad de impulsar el caudal máximo de proyecto. Los caudales promedio, inicial y de proyecto son importantes para seleccionar equipos que funcionen lo más eficiente posible para los caudales medios. Los caudales mínimos tienen importancia para dimensionar la tubería de impulsión con una velocidad que evite la deposición de sólidos. La inadecuada selección de los equipos de bombeo por una incorrecta determinación de los caudales del proyecto, podría tener graves consecuencias para las bombas durante su operación. Si la bomba seleccionada trabaja con caudales mayores al nominal, podrá haber sobrecarga del motor y cavitación, y la bomba trabajará con bajo rendimiento. Si la bomba trabaja con caudales menores al nominal, la bomba podrá trabajar con bajo rendimiento y, en caso de capacidad extremadamente baja, podrá presentarse calentamiento excesivo.
  14. 14. 14 5.2 - ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL La altura manométrica total Ht es aquella contra la que trabajará la bomba durante su funcionamiento, comprende los siguientes ítems: alturas estáticas de succión e impulsión, las perdidas por rozamiento, la altura de velocidad, pérdidas de carga locales y la diferencia de presión existente sobre el líquido en el lado de la succión y en el lado de la impulsión. La altura estática de succión (hs), es la distancia vertical del nivel del nivel del líquido en el pozo de succión a la línea del centro de la bomba; puede ser positiva o negativa, conforme al líquido se encuentre encima o debajo de la línea central de la bomba (Fig.4). La altura estática de impulsión (hi), es la distancia vertical de la línea del centro de la bomba al punto de descarga, o al nivel más alto en el tanque de descarga cuando la alimentación es hecha por el fondo del tanque (Fig.4). La energía de velocidad vi2/2g se considera que se pierde en la descarga de la tubería de impulsión; en la práctica, esta pérdida de energía se toma como equivalente a una pérdida en la salida y se incluye como pérdida localizada. Se puede despreciar para alturas estáticas mayores de 50 metros en cálculos de poca precisión. En las Figura 4 se muestra en forma gráfica la determinación de la altura manométrica total en diferentes casos de succión e impulsión de una bomba centrifuga de eje horizontal y en la Figura 5 la determinación de la altura manométrica para una bomba centrifuga de eje vertical de pozo profundo.
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  17. 17. 17 Finalmente, para calcular la altura manométrica en una cámara de aspiración de aguas residuales, se debe considerar que el nivel de agua varía entre los escalones de control de arranque y parada de las bombas, y la superficie del agua en el punto de descarga (Fig. 6). 5.3 - RENDIMIENTO Y POTENCIA ABSORBIDA La eficiencia de una bomba se mide en base al caudal que se descarga contra una altura dada y con un rendimiento determinado. El rendimiento de la bomba viene dado por: Donde: Pi = Potencia absorbida, HP. = Peso especifico del líquido a ser bombeado. Q = Caudal, m3/s. Ht = Altura manométrica, m. = Rendimiento de la bomba Para determinar la potencia absorbida por el motor, se divide la potencia absorbida por la bomba entre la eficiencia del motor: Donde, Pm = Potencia del motor m = Rendimiento de motor. Los rendimientos de las bombas generalmente varían entre 60% y 85%. Las pérdidas de energía dentro de las bombas pueden clasificarse como volumétricas, mecánicas e hidráulicas. Las pérdidas volumétricas son producidas debido a la existencia de pequeñas separaciones entre la carcasa y el impulsor por donde pueden presentarse fugas.
  18. 18. 18 Las pérdidas mecánicas son originadas por fricciones mecánicas en las empaquetaduras y cojinetes, discos internas y esfuerzos cortantes creados por el líquido. Las pérdidas hidráulicas consisten en pérdidas por fricción y parásitas que se producen en la circulación del agua. Aun cuando es deseable adquirir una bomba con alto rendimiento, es conveniente ponderar su valor teniendo en cuenta otros factores, como por ejemplo, el costo inicial, la velocidad de rotación y la durabilidad. 5.4 - CURVAS CARACTERÍSTICAS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS Las características de funcionamiento de una bomba centrifuga se representa por una serie de curvas en un gráfico de coordenadas Q-H; Q-P y Q-. A cualquier punto Qx le corresponde un valor en las ordenadas Hx, Px y x, los cuales determinan las variables dependientes de altura, potencia y rendimiento
  19. 19. 19 Podemos verificar que la bomba centrifuga puede abastecer un caudal que va desde cero hasta cierto valor máximo, que depende del tipo y tamaño de la bomba y de las condiciones de succión. El rendimiento aumenta con el caudal, hasta un punto máximo, y después decrece hasta volverse cero, en la ordenada cero. Cada curva corresponde a una determinada velocidad de rotación de la bomba y a un diámetro del impulsor. 5.4.1 - CURVA CARACTERÍSTICA Q-H DE UNA INSTALACIÓN La pérdida de presión o altura que se experimenta en cualquier punto de una instalación viene dada en función del cuadrado de la velocidad del líquido circulante. Dado que Q = S.v, lo anterior equivale a decir que depende del caudal circulante con una fórmula genérica del tipo Hp = ϕ Q2, dónde ϕ es el parámetro que representa las características físicas (diámetros, longitud, materiales, obstáculos, etc.) del trazado.(fig 10).
  20. 20. 20 Las características de un sistema de bombeo pueden representarse en un gráfico caudal (Q) versus altura (H), partiendo de una ordenada igual a Hg (altura estática) para Q=0 y trazando la curva de perdida de carga por fricción (hf) en función del caudal. Fig. 8.- Curvas del sistema y puntos de operación de la bomba A cada caudal (Q) le corresponde una determinada altura (H). Las variaciones de la altura estática generan otras curvas del sistema. La intersección entre la curva característica de la bomba y cada curva del sistema definen los puntos de trabajo (A y A´). Como el desgaste y las incrustaciones en las tuberías se incrementan con el tiempo, usualmente la pérdida de carga por fricción y por ende la curva del sistema se calculan considerando una antigüedad de las tuberías entre 10 a 15 años.
  21. 21. 21 La pérdida de carga estimada de esta manera, será superior al valor real de la pérdida cuando la tubería es nueva. Como consecuencia, en el inicio de la operación, la bomba trabajará con una altura inferior a la calculada y con un caudal superior para el cual fue seleccionado. 5.4.2 - CURVA CARACTERÍSTICA Q-H DE UNA BOMBA Análogamente a lo que ocurre con las instalaciones las características hidraúlicas de una bomba se expresan mediante una curva construida sobre los ejes Q-H de caudal y altura. Los puntos de dicha curva son obtenidos en fábrica mediante el estrangulamiento de una válvula colocada a la salida de la bomba que simula un cerramiento paulatino de grifos hasta llegar al cierre total. Los caudales y alturas correspondientes a distintas posiciones de la válvula son obtenidos mediante caudalímetros y manómetros, respectivamente. Por ejemplo en la curva Q-H de la figura 12 la bomba impulsando un caudal de 5 l/seg. lo eleva a 20 ms de altura pero si, por estrangulamiento de la válvula de prueba, reducimos el caudal a 2 l/seg. lo elevará a 50 ms; y si la cerramos completamente el manómetro nos señalará 57 m. de altura.
  22. 22. 22 Representemos ahora simultáneamente la curva demanda de una instalación y la curva característica de una cierta bomba comercial (fig. 13)
  23. 23. 23 5.5 - ALTURA DE ELEVACIÓN DE UNA BOMBA La altura total de elevación de una bomba, en cualquiera de los puntos de su curva Q-H, está formada por la altura de aspiración H(a) y la altura de impulsión H(i), (fig. 14). Ahora bien ambas tienen una componente estática E y una componente dinámica D. La componente estática del tramo de aspiración es la altura geométrica desde la superficie del líquido hasta el eje de la bomba, mientras que la del tramo de impulsión ha de ser la altura geométrica desde el eje de la bomba hasta el punto de agua más desfavorable. Por su parte la componente dinámica en el tramo de aspiración ha de ser la presión necesaria para vencer el rozamiento del tramo de aspiración Hg(a), mientras que la componente dinámica del tramo de impulsión ha de ser la presión necesaria para vencer el rozamiento del tramo de impulsión Hg(i) más la presión residual Hr exigible al punto de agua más desfavorable. Llamando Hg a la altura total de elevación y Hp a la presión total necesaria para vencer las pérdidas de carga podemos escribir
  24. 24. 24 Hg componente dinámica o cinética Hp + Hr componente estática ó piezométrica 5.6 - PUNTO DE OPERACIÓN DEL SISTEMA Tal como fue adelantado en el punto anterior, el punto de operación de la bomba lo determina la intersección entre la curva del sistema y la curva característica de la bomba seleccionada. En seguida se explica como se determina el punto de operación de la bomba para diferentes casos: 5.6.1 - EN TUBERÍAS EN SERIE Sea un sistema de dos tuberías de diámetro D1 y D2. La fricción en cada sección de tubería está representada por su propia curva. La curva resultante es la suma de las ordenadas de las dos curvas. 5.6.2 - EN TUBERÍAS EN PARALELO Sea un sistema el cual se deriven dos tuberías en paralelo (considerando insignificante la fricción del tramo OA). La curva resultante es la suma de las abscisas de las dos curvas.
  25. 25. 25 5.6.3 - EXTRACCIÓN DE AGUA SUBTERRÁNEA La característica producción-descenso de un pozo, o sea su curva de aforo, puede plotearse en el grafico Q-H puesto que el descenso S es función de Q. El punto A, intersección de la curva característica del pozo con la curva de la bomba, es el punto de trabajo.
  26. 26. 26 5.7 - RELACIONES CARACTERÍSTICAS EN LAS BOMBAS CENTRÍGUGAS (LEY DE AFINIDAD) Para seleccionar una bomba adecuadamente se debe conocer las relaciones que permiten obtener la curva característica de la bomba para una rotación diferente de aquella para la cual se conoce su curva característica. Otras relaciones permiten predecir la nueva característica de una bomba si se reduciría el diámetro del impulsor, dentro de los límites aceptables por cada tipo de bomba. 5.7.1 - VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD DE ROTACIÓN DE LA BOMBA Cuando se varía la velocidad de rotación (n): el caudal de bombeo (Q) en cada punto de la curva característica varía en proporción directa a la velocidad de rotación; la altura (H) varía con el cuadrado de la velocidad de rotación y la potencia (P) consumida varía con el cubo de la velocidad de la rotación.
  27. 27. 27 5.7.2 - VARIACIÓN DEL DIÁMETRO IMPULSOR Si se reduciría el diámetro del impulsor una bomba (D), manteniendo la misma velocidad de rotación: el caudal en cada punto de la curva característica variará en proporción directa del diámetro; la altura variara con el cuadrado del diámetro y la potencia consumida variara con el cubo del diámetro. La confiabilidad de las relaciones anteriores es limitada a variaciones de ±20% respecto a las características originales, especialmente en lo que se refiere a la relación de potencia; puesto que en ellas se supone que el rendimiento se mantenga constante, condición esta que no se verifica en la práctica. 5.7.3 - AMPLIACIÓN PRÁCTICA DE LA LEY DE AFINIDAD Las ecuaciones descritas anteriormente, permiten determinar la curva correspondiente al impulsor de una bomba que pasa por un determinado punto (C), donde trabajará con un caudal Q1 y una altura H1. La curva relativa al impulsor de diámetro D2 es conocida y es deseable que el punto C caiga sobre la curva correspondiente al diámetro del impulsor D1. Se supone que la velocidad de rotación es constante.
  28. 28. 28 Determinación del diámetro de impulsor requerido Se ubica sobre la curva del impulsor D2 el punto conocido B(Q2,H2). El diámetro del impulsor correspondiente a la curva incógnita se determina mediante la siguiente relación: En este caso, la potencia de la bomba se calculará de la siguiente manera:
  29. 29. 29 5.8 - NPSH Para la selección de bombas en general, debe considerarse que la determinación de la altura manométrica de succión también depende de los siguientes factores:  Altitud del lugar de instalación de la bomba.  Temperatura de líquido.  Gravedad especifica del líquido. Estos factores y otros estudiados anteriormente; la altura estática de succión y las características de la línea de succión (diámetro, extensión, accesorios, etc.), intervienen en la determinación del NPSH (“net positive suction head”), el cual limita las condiciones de la línea de succión en la forma que se explicará a continuación. El NPSH puede ser definido como la presión estática a que debe ser sometido un liquido, para que pueda fluir por si mismo a través de las tuberías de succión y llegar a inundar los alabes en el orificio de entrada del impulsor de una bomba. La presión en cualquier punto del sistema de bombeo deberá ser mayor a la presión de vapor del liquido bombeado, para evitar la ocurrencia del fenómeno de cavitación en la tubería de succión o en los alabes del impulsor de la bomba. El punto más crítico es la entrada del impulsor, donde ocurre la presión más baja.
  30. 30. 30 Por tanto, si mantuviéramos la presión en la entrada del impulsor superior a la presión de vapor, no tendremos vaporización en la entrada de la bomba y evitaremos así, el fenómeno de cavitación. El fin práctico, por tanto, del NPSH es imponer limitaciones a las condiciones de succión, de modo a mantener la presión en la entrada del impulsor de la bomba sobre la presión de vapor del líquido bombeado. 5.8.1 - NPSH REQUERIDO El fabricante define las limitaciones de succión de una bomba mediante la curva del NPSH requerido por la misma, para varios valores de caudal. El NPSH requerido depende exclusivamente del diseño interno particular de cada bomba y varía mucho con el caudal y la velocidad de la bomba. Varía también entre bombas distintas de un mismo fabricante y con mayor razón entre las de distintos fabricantes. Actualmente, toda curva característica de una bomba incluye la curva de NPSH requerido en función del caudal. Esta curva describe la magnitud de la presión total, que debe existir como mínimo en la entrada de la bomba para evitar la cavitación o en otras palabras permite calcular las alturas máximas de succión de la bomba para cada valor de caudal. 5.8.2 - NPSH DISPONIBLE Es la presión abastecida por el sistema hidráulico externo a la bomba y depende exclusivamente de las características hidráulicas de la red externa de succión conectada a la bomba. Para que la instalación opere satisfactoriamente, sin fallas hidráulicas ni mecánicas, el NPHS disponible en el sistema deberá ser mayor por lo menos en 0.50 metros al NPSH requerido por la bomba. El NPSH disponible se calculará de la siguiente manera:
  31. 31. 31 Donde: P = Presión externa en el tanque o pozo de succión, en los casos de tanques abiertos a la atmósfera, P=0. Pa = Presión atmosférica. Pv = Presión de vapor del liquido bombeado, a la temperatura de bombeo. Hs = Altura estática de succión: positiva cuando el nivel del tanque de succión esté sobre la línea de eje de la bomba y negativa cuando esté debajo. Σhf = Sumatoria de todas las perdidas de carga en la línea de succión. G.E = Gravedad especifica del liquido bombeado. 5.8.3 - CAVITACIÓN La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli (Principio de Bernoulli). Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno. La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido. Estas pueden disiparse en la corriente del líquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas de presión es la misma, el material tiende a debilitarse metalúrgicamente y se inicia una erosión que, además de dañar la superficie, provoca que ésta se convierta en una zona de mayor pérdida de presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida. El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina.
  32. 32. 32 La cavitación de succión ocurre cuando la succión de la bomba se encuentra en unas condiciones de baja presión/alto vacío que hace que el líquido se transforme en vapor a la entrada del rodete. Este vapor es transportado hasta la zona de descarga de la bomba donde el vacío desaparece y el vapor del líquido es nuevamente comprimido debido a la presión de descarga. Se produce en ese momento una violenta implosión sobre la superficie del rodete. Un rodete que ha trabajado bajo condiciones de cavitación de succión presenta grandes cavidades producidas por los trozos de material arrancados por el fenómeno. Esto origina el fallo prematuro de la bomba. Desgaste producido por la cavitación en un rodete de una bomba centrífuga.
  33. 33. 33 Para evitar la cavitación:
  34. 34. 34 5.9 - CARACTERÍSTICAS DEL LÍQUIDO Se debe especificar el tipo y las características del líquido a bombear, este dato es importante para determinar el tipo y tamaño de la bomba, tipo de impulsores y para establecer los materiales a utilizarse. Son importantes los siguientes parámetros físicos y químicos del líquido a bombearse: Temperatura Debe ser indicado el rango de temperatura del líquido en el cual trabajará la bomba, es recomendable ser muy concreto en este aspecto y evitar dar indicaciones tales como “es agua limpia a temperatura ambiente”. Gravedad especifica Debe ser indicado la gravedad específica del líquido a la temperatura de bombeo, es vital para una correcta determinación de la potencia de la bomba. Viscosidad Cuando la viscosidad del líquido manejado es distinta a la del agua, la capacidad de la bomba y la altura y potencia de bombeo deben ser corregidas. pH El conocimiento del pH que tenga el líquido a bombearse servirá para seleccionar el material adecuado de la bomba y sus componentes. Sólidos en suspensión El tamaño y naturaleza de los sólidos suspendidos en el líquido determinarán el tipo y el material del impulsor. Si los sólidos son muy abrasivos, se requerirá de impulsor abierto y hasta en algunos casos forrados con jebe. Cuando los sólidos son de gran tamaño es conveniente utilizar impulsores abiertos del tipo helicoidal. 5.10 - CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBA 5.10.1 - NÚMERO DE UNIDADES El número de unidades de bombeo dependerá del caudal de bombeo y de sus variaciones, y de la necesidad de contar con una unidad de reserva para atender situaciones de emergencia.
  35. 35. 35 Es recomendable adoptar el siguiente criterio: - Para pequeñas estaciones (población de diseño menor a 2000 habitantes) se colocarán dos unidades, cada una con capacidad de bombear el caudal de bombeo calculado. Una de ellas será la unidad de reserva y funcionará alternadamente con la unidad principal. - En estaciones mayores (población de diseño mayor a 2000 habitantes), el número mínimo será de dos unidades. Cuando se utilicen únicamente dos bombas, cada una de ellas debe tener una capacidad igual al caudal de diseño de la estación y una trabajará de reserva. Cuando se utilicen más de dos bombas; deberá ser prevista además de las unidades necesarias para el caudal máximo, por lo menos una bomba de reserva con capacidad igual a la mayor de las bombas instaladas. 5.10.2 - VELOCIDAD ESPECÍFICA Antes de introducir este concepto y explicar como influye en la selección de bombas, es importante recordar la idea de similitud dinámica en bombas centrifugas. Las bombas geométricamente similares o unidades homologas son aquellas fabricadas en una serie de tamaños, donde las dimensiones interiores guardan una cierta proporción de escala. Sus eficiencias serán muy parecidas si operan en condiciones homologas, a velocidades y caudales tales que la proporción entre ellos se mantenga constante. Cuando se operan las bombas homologas de esta manera, es posible clasificar toda la serie basándose en las pruebas realizadas en un solo tamaño, o un pequeño número de tamaños típicos. La velocidad específica Ns, que es un índice numérico igual a la velocidad que debería tener una bomba homologa para abastecer 1 m3/s a una altura de 1 metro. Es decir, con la velocidad específica podemos compara los tipos de bomba con base a una unidad de presión y una unidad de caudal, así tenemos: Ns = Velocidad especifica N = Velocidad de rotación, rpm Q = Caudal, m3/s. H = Altura, m.
  36. 36. 36 La velocidad específica se calcula para una bomba de un diseño dado, utilizando aquellos valores de N, Q y H correspondiente a la capacidad nominal de la bomba, es decir, aquella de máxima eficiencia a la velocidad establecida. Para bombas de succión doble, la velocidad específica se calcula a la mitad del caudal total y para bombas de etapas múltiples, en las que la presión total se distribuye entre las etapas, el valor de altura es el correspondiente a cada etapa. La expresión de velocidad específica muestra que, si se tienen dos bombas: -Que abastecen las mismas condiciones de altura y caudal, la de velocidad específica mayor tendrá rotación mayor y será de menor tamaño. -Con la misma rotación y capacidad, la de velocidad específica mayor abastecerá menor altura. -Con la misma velocidad y altura, la de velocidad específica mayor abastece mayor capacidad. La velocidad específica identifica a las características de un grupo de bombas, principalmente tiene estrecha relación con las características del impulsor, por tanto, el valor de la velocidad específica describirá de inmediato la configuración aproximada del impulsor. Del mismo, las bombas con la misma velocidad específica tendrán curvas características semejantes. .
  37. 37. 37 La selección preliminar de una bomba puede realizarse utilizando un grafico de velocidad específica, tal como el que se muestra en la Figura 15 Con los datos de del proyecto se calcula la velocidad específica, recurrimos a un grafico similar al anterior, y seleccionamos el tipo de bomba más eficiente para el caudal de bombeo de diseño. 5.10.3 - BOMBAS HORIZONTALES CONTRA VERTICALES En la Tabla 2 se detallan las ventajas y desventajas del uso de los diferentes tipos de bombas centrifugas y en la Tabla3 se enumera las frecuentes aplicaciones de cada tipo de bombas.
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  40. 40. 40 5.11 - FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE LAS BOMBAS. Si el caudal de una sola bomba no fuese suficiente, puede aumentarse el caudal conectando varias bombas en paralelo. (Ver figura 19). Sin embargo, no basta multiplicar el caudal de una bomba por el número de ellas, sino que hay que proceder del modo siguiente: si trabaja solamente la bomba 1, se tiene el punto de funcionamiento B1, si trabaja la bomba 2 solamente, el punto de funcionamiento es el B2. Para calcular el punto de funcionamiento del conjunto B es necesario construir primero una curva Q-H común. La curva característica común se obtiene por adición de los caudales de cada una de las bombas. Para ello se toman primero sobre el eje de ordenadas varios valores, elegidos arbitrariamente, de alturas de elevación y se llevan estas alturas, por ejemplo H1/H2/H3, a las curvas de las bombas 1 y 2. En los puntos de intersección de las alturas H1, H2, H3, con la curva de la bomba 1 se obtienen los caudales correspondientes Q1, Q2, Q3. Estos caudales se suman ahora simplemente a los caudales obtenidos con la curva de la bomba 2 en los puntos de intersección con las alturas H1, H2, H3. Los puntos C, D, E así obtenidos se unen entre sí para formar la curva característica común de las bombas 1 y 2. El punto de intersección de la curva característica de la instalación con la nueva curva característica es el punto de funcionamiento B de las bombas funcionando en paralelo. La curva característica común comienza en A porque por encima de A la bomba 1 aún no produce elevación.
  41. 41. 41 La figura 20 aclara el cálculo de la curva característica común de dos bombas conectadas en paralelo cuando tienen iguales curvas Q-H. Se aprecia claramente que el caudal conjunto que se consigue en el punto de funcionamiento B es menor que la suma de los caudales que se obtendrían con cada una de las bombas por sí solas en el punto B1 5.12 - FUNCIONAMIENTO EN SERIE DE LAS BOMBAS Se efectúa la conexión de varias bombas, una a continuación de la otra (conexión en serie) cuando no basta una sola bomba centrífuga para vencer la altura de elevación deseada. En el funcionamiento en serie se suman las alturas de elevación de cada una de las bombas para el mismo caudal elevado. (Ver figura 21). Para determinar el punto de funcionamiento B para la elevación común, hay que determinar primero la línea Q-H del conjunto. Esta nueva curva se obtiene sumando las alturas de elevación de cada una de las bombas para un mismo caudal. La altura de elevación H1 de la bomba 1 para el caudal Q1 se transporta sobre la curva de la bomba 2, y lo mismo se hace con H2, H3, etc.
  42. 42. 42 Los puntos A, C, D, así obtenidos se unen para formar la curva característica común de las bombas 1 y 2. El punto de intersección de la curva característica de la instalación con la nueva línea Q-H es el punto de funcionamiento B de las bombas centrífugas conectadas en serie. 5.13 - SELECCIÓN DE UNA BOMBA El cálculo de las pérdidas de carga en la red mas desfavorable nos dará la presión necesaria a la salida de la bomba. Añadiendo las pérdidas de carga en la aspiración mas la altura de la aspiración, obtenemos la Hmt (altura manométrica total). La Hmt varía según el tipo de la bomba y la posición de la fuente de agua. El caudal y la Hmt determinan la elección de la bomba.
  43. 43. 43 Cada constructor propone toda una gama de bombas que se adaptan a cada situación. Cada tipo de bomba tiene una tabla característica que tiene en cuenta: Caudal. Hmt. Curvas características según el número de etapas. Rendimiento. Potencia absorbida. NPSH. NPSH representa la carga mínima al nivel de la brida de aspiración para que la bomba funcione correctamente. NPSH (Net Positive Suction Head) es un parámetro que indica la capacidad de las bombas de aspirar en vacío, es decir que la altura máxima teórica de aspiración será de 10,33 m (presión atmosférica a nivel del mar). Físicamente indica la presión absoluta que debe existir a la entrada de la bomba para que no existan problemas de cavitación, que consiste en la formación de pequeñas burbujas de vapor que implosionan generando serios problemas serios daños en la bomba y produciendo un ruido similar al del golpeteo metálico de un martillo. CURVAS CARACTERÍSTICAS El comportamiento hidráulico de un determinado modelo de bomba viene especificado en sus curvas características que representan una relación entre los distintos valores de caudal proporcionado por la misma con otros parámetros como la altura manométrica, el rendimiento hidráulico, la potencia absorbida y el NPSH requerido. Estas curvas, obtenidas experimentalmente en un banco de pruebas, son facilitadas por el fabricante a una velocidad de rotación determinada. Se trata curvas extraídas a partir de series estadísticas y que, por tanto, están sujetas a unas determinadas tolerancias. El punto de diseño de una bomba lo constituye aquel en el que el rendimiento es máximo. A la hora de seleccionar nos centraremos en aquellas cuyo punto de diseño está próximo a las condiciones de trabajo que requerimos. Un grupo que trabaja en un punto muy alejado de su punto de diseño, no realiza una transformación eficiente de la energía mecánica en energía hidráulica, lo cual implica un coste excesivo de la energía de explotación, amén de estar sujeto a un mayor número de averías. El punto de funcionamiento de una bomba va a estar determinado por la intersección de la curva característica de la conducción o de la red con la curva de carga (curva caudal-altura manométrica) de la bomba.
  44. 44. 44 Ejemplo. Se pide elegir una bomba que aporte un caudal de 10 m3/h y una altura manométrica total de 80 m. Entre las familias de bombas escogemos la familia cuyas curvas características dan el mejor rendimiento para el caudal solicitado. En este caso sería la familia representada por las curvas características que adjuntamos abajo que dan un rendimiento máximo del 60%. El punto determinado por el caudal de 10 m3/h y la altura manométrica de 80 m se sitúa entre dos curvas. En estos casos siempre escogeremos la curva superior. En este caso la que corresponde a la bomba de modelo KV 32/4 que nos aporta un caudal de 10 m3/h y una altura manométrica para ese caudal de 85 m. En el nombre del modelo KV 32/4, 4 indica el número de etapas o fases. En la curva vemos que la potencia absorbida por fase es de 0,9 Kw/fase, o sea que para el conjunto será: 0,9 x 4 = 3,6 Kw = 4,98 CV por lo que el motor que debe ir acoplado a la bomba debe ser de 5 CV.
  45. 45. 45 NOTA: 1 CV = 0,736 Kw En la curva característica también vemos que la altura práctica de aspiración es de: NPSH = 2,9 m. Por lo tanto la altura práctica es de 10-2,9 = 7,1 m.

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