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Miguel Muñoz INTRODUCCIÓN A LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

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  • 1. INTRODUCCIN A LAS BOMBASCENTRFUGASMiguel Muoz

2. Contenido1 - INTRODUCCIN ....................................................................................... 3 2 -TIPOS DE BOMBAS ............................................................................... 43 - BOMBAS CENTRFUGAS ......................................................................... 7 3.1 - FUNCIONAMIENTO DE BOMBAS CENTRFUGAS........................... 7 4 - PASOS PARA LA ELECCIN DE UNA BOMBA ................................ 125 - CONDICIONES DE OPERACIN .......................................................... 13 5.1 - CAUDAL ........................................................................................... 13 5.2 - ALTURA MANOMTRICA TOTAL.................................................... 14 5.3 - RENDIMIENTO Y POTENCIA ABSORBIDA ................................... 17 5.4 - CURVAS CARACTERSTICAS DE BOMBAS CENTRFUGAS ........ 18 5.5 - ALTURA DE ELEVACIN DE UNA BOMBA .................................... 23 5.6 - PUNTO DE OPERACIN DEL SISTEMA ........................................ 24 5.7 - RELACIONES CARACTERSTICAS EN LASBOMBAS CENTRGUGAS (LEY DE AFINIDAD) .............................. 26 5.8 - NPSH ............................................................................................... 30 5.9 - CARACTERSTICAS DEL LQUIDO ................................................ 34 5.10 - CARACTERSTICAS DE LA BOMBA ............................................ 34 5.11 - FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE LAS BOMBAS ............... 40 5.12 - FUNCIONAMIENTO EN SERIE DE LAS BOMBAS ....................... 41 5.13 - SELECCIN DE UNA BOMBA ....................................................... 42 2 3. 1 - INTRODUCCINUna bomba es una mquina hidrulica generadora que transforma la energa(generalmente energa mecnica) con la que es accionada en energahidrulica del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puedeser lquido o una mezcla de lquidos y slidos como puede ser el hormignantes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energa del fluido, seaumenta su presin, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas segn elprincipio de Bernoulli.En general, una bomba se utiliza para incrementar la presin de un lquidoaadiendo energa al sistema hidrulico, para mover el fluido de una zona demenor presin o altitud a otra de mayor presin o altitud.Existe una ambigedad en la utilizacin del trmino bomba, ya quegeneralmente es utilizado para referirse a las mquinas de fluido quetransfieren energa, o bombean fluidos incompresibles, y por lo tanto no alteranla densidad de su fluido de trabajo, a diferencia de otras mquinas como lo sonlos compresores, cuyo campo de aplicacin es la neumtica y no la hidrulica.Pero tambin es comn encontrar el trmino bomba para referirse a mquinasque bombean otro tipo de fluidos, as como lo son las bombas de vaco o lasbombas de aire.2 -TIPOS DE BOMBASLa principal clasificacin de las bombas se realiza atendiendo al principio defuncionamiento en el que se basan:Bombas de desplazamiento positivo o volumtricas, en las que el principiode funcionamiento est basado en la hidrosttica, de modo que el aumento depresin se realiza por el empuje de las paredes de las cmaras que varan suvolumen. En este tipo de bombas, en cada ciclo el rgano propulsor genera demanera positiva un volumen dado o cilindrada, por lo que tambin sedenominan bombas volumtricas. En caso de poder variar el volumenmximo de la cilindrada se habla de bombas de volumen variable. Si esevolumen no se puede variar, entonces se dice que la bomba es devolumen fijo. A su vez este tipo de bombas pueden subdividirse en Bombas de mbolo alternativo, en las que existe uno o varios compartimentos fijos, pero de volumen variable, por la accin de un mbolo o de una membrana. En estas mquinas, el movimiento del fluido es discontinuo y los procesos de carga y descarga se realizan por vlvulas que abren y cierran alternativamente. Algunos ejemplos de este tipo de bombas son la bomba alternativa de pistn, la bomba rotativa de pistones o la bomba pistones de accionamiento axial.3 4. Bombas volumtricas rotativas o rotoestticas, en las que una masafluida es confinada en uno o varios compartimentos que se desplazandesde la zona de entrada (de baja presin) hasta la zona de salida (dealta presin) de la mquina. Algunos ejemplos de este tipo de mquinasson la bomba de paletas, la bomba de lbulos, la bomba de engranajes,la bomba de tornillo o la bomba peristltica. Bombas rotodinmicas, en las que el principio de funcionamiento estbasado en el intercambio de cantidad de movimiento entre la mquina yel fluido, aplicando la hidrodinmica. En este tipo de bombas hay uno ovarios rodetes con labes que giran generando un campo de presionesen el fluido. En este tipo de mquinas el flujo del fluido es contnuo.Estas turbomquinas hidrulicas generadoras pueden subdividirseen: Radiales o centrfugas, cuando el movimiento del fluido sigue una trayectoria perpendicular al eje del rodete impulsor. Axiales, cuando el fluido pasa por los canales de los labes siguiendo una trayectoria contenida en un cilindro. Diagonales o helicocentrfugas cuando la trayectoria del fluido se realiza en otra direccin entre las anteriores, es decir, en un cono coaxial con el eje del rodete.4 5. 5 6. 3 - BOMBAS CENTRFUGASUna bomba centrfuga es un tipo de bomba hidrulica que transforma laenerga mecnica de un impulsor rotatorio llamado rodete en energa cintica ypotencial requeridas. Aunque la fuerza centrfuga producida depende tanto dela velocidad en la periferia del impulsor como de la densidad del lquido, laenerga que se aplica por unidad de masa del lquido es independiente de ladensidad del lquido. Por tanto, en una bomba dada que funcione a ciertavelocidad y que maneje un volumen definido de lquido, la energa que seaplica y transfiere al lquido, es la misma para cualquier lquido sin que importesu densidad. Por tanto, la carga o energa de la bomba en metros y es por esopor lo que se denomina genricamente como "altura".Las bombas centrfugas tienen un uso muy extenso en la industria ya que sonadecuadas casi para cualquier servicio. Las ms comunes son las que estnconstruidas bajo normativa DIN 24255 (en formas e hidrulica) con un nicorodete, que abarcan capacidades hasta los 500 M3/h y alturas manomtricashasta los 100 metros con motores elctricos de velocidad estndar. Estasbombas se suelen montar horizontales, pero tambin pueden estar verticales ypara alcanzar mayores alturas se fabrican disponiendo varios rodetessucesivos en un mismo cuerpo de bomba. De esta forma se acumulan laspresiones parciales que ofrecen cada uno de ellos. En este caso se habla debomba multifsica o multietapa, pudindose lograr de este modo alturas delorden de los 1200 metros para sistemas de alimentacin de calderas.Constituyen no menos del 80 % de la produccin mundial de bombas, porquees la ms adecuada para manejar ms cantidad de lquido que la bomba dedesplazamiento positivo.No hay vlvulas en las bombas de tipo centrfugo; el flujo es uniforme y libre depulsaciones de baja frecuencia.3.1 - FUNCIONAMIENTO DE BOMBAS CENTRFUGASLas bomba centrifuga consiste de un elemento mvil, denominado impulsor,donde un cierto nmero de alabes, dirigen el movimiento de las partculas deliquido. El impulsor gira en una cmara cerrada denominada caja o carcasadebido a la energa conferida por un motor, que puede ser elctrico o decombustin interna. El liquido contenido entre los alabes, por efecto de lafuerza centrfuga, incrementa su energa cintica la cual se transformaparcialmente en energa potencial en la carcasa de la bomba.Para la conversin de velocidad en presin, se emplean los difusores, lasvolutas o los tazones, dependiendo del diseo de la bomba. Cuando se empleaun difusor, este consta de varios canales de seccin variable que rodean alimpulsor, fabricados en una sola pieza, tal como se observa en la Figura 1a.6 7. Cuando el canal es nico, este tiene generalmente la forma de un espiral deseccin variable y recibe el nombre de caracol o voluta, tal como se muestraen la Figura 1b.En el caso de los tazones, los canales dems de servir como medio para laconversin de caudal en presin, se utilizan como medio de conduccin dellquido para la etapa siguiente. 7 8. 3.2 - CLASIFICACIN DE BOMBAS CENTRFUGASLas bombas centrifugas se clasifican de acuerdo a los criterios mostrados en laTabla1.Las bombas axiales no son bombas centrifugas, pero por tener un funcionamientomuy similar a ellas se han incluido en esta clasificacin. 8 9. 9 10. 10 11. 11 12. .4 - PASOS PARA LA ELECCIN DE UNA BOMBALos pasos bsicos para la eleccin de cualquier tipo de bomba son:- Elaborar un diagrama de la disposicin de bomba y tuberas.- Determinar el caudal de bombeo.- Calcular la altura manomtrica total.- Estudiar las condiciones del liquido- Elegir la clase y tipo de bomba.Este procedimiento es explicado en detalle en los siguientes puntos.12 13. 5 - CONDICIONES DE OPERACIN5.1 - CAUDALPara seleccionar equipos de bombeo, se deben determinar el caudal o losdiversos caudales con que trabajarn estos equipos durante su vida til. Enproyectos de saneamiento, los caudales correspondientes a la vida til de losequipos son los caudales del proyecto. Para la mayora de las bombas elperiodo de diseo es 10 aos.En proyectos de agua potable, el caudal que se utiliza para la seleccin debombas es, una proporcin del caudal mximo diario en funcin del nmero dehoras de bombeo, as:Donde:Qb = Caudal de bombeo, l/s.Qmax.d = Caudal mximo diario, l/s.N = Nmero de horas de bombeo.Para la seleccin de bombas en proyectos de aguas residuales, se deben teneren cuenta los siguientes caudales de la red de alcantarillado: caudal mximodel proyecto, caudal promedio inicial, caudal promedio del proyecto y caudalmnimo inicial.Las bombas deben tener la capacidad de impulsar el caudal mximo deproyecto. Los caudales promedio, inicial y de proyecto son importantes paraseleccionar equipos que funcionen lo ms eficiente posible para los caudalesmedios.Los caudales mnimos tienen importancia para dimensionar la tubera deimpulsin con una velocidad que evite la deposicin de slidos.La inadecuada seleccin de los equipos de bombeo por una incorrectadeterminacin de los caudales del proyecto, podra tener graves consecuenciaspara las bombas durante su operacin. Si la bomba seleccionada trabaja concaudales mayores al nominal, podr haber sobrecarga del motor y cavitacin, yla bomba trabajar con bajo rendimiento. Si la bomba trabaja con caudalesmenores al nominal, la bomba podr trabajar con bajo rendimiento y, en casode capacidad extremadamente baja, podr presentarse calentamientoexcesivo.13 14. 5.2 - ALTURA MANOMTRICA TOTALLa altura manomtrica total Ht es aquella contra la que trabajar la bombadurante su funcionamiento, comprende los siguientes tems: alturas estticasde succin e impulsin, las perdidas por rozamiento, la altura de velocidad,prdidas de carga locales y la diferencia de presin existente sobre el lquidoen el lado de la succin y en el lado de la impulsin.La altura esttica de succin (hs), es la distancia vertical del nivel del niveldel lquido en el pozo de succin a la lnea del centro de la bomba; puede serpositiva o negativa, conforme al lquido se encuentre encima o debajo de lalnea central de la bomba (Fig.4).La altura esttica de impulsin (hi), es la distancia vertical de la lnea delcentro de la bomba al punto de descarga, o al nivel ms alto en el tanque dedescarga cuando la alimentacin es hecha por el fondo del tanque (Fig.4).La energa de velocidad vi2/2g se considera que se pierde en la descarga dela tubera de impulsin; en la prctica, esta prdida de energa se toma comoequivalente a una prdida en la salida y se incluye como prdida localizada. Sepuede despreciar para alturas estticas mayores de 50 metros en clculos depoca precisin.En las Figura 4 se muestra en forma grfica la determinacin de la alturamanomtrica total en diferentes casos de succin e impulsin de una bombacentrifuga de eje horizontal y en la Figura 5 la determinacin de la alturamanomtrica para una bomba centrifuga de eje vertical de pozo profundo. 14 15. 15 16. 16 17. Finalmente, para calcular la altura manomtrica en una cmara de aspiracinde aguas residuales, se debe considerar que el nivel de agua vara entre losescalones de control de arranque y parada de las bombas, y la superficie delagua en el punto de descarga (Fig. 6).5.3 - RENDIMIENTO Y POTENCIA ABSORBIDALa eficiencia de una bomba se mide en base al caudal que se descarga contrauna altura dada y con un rendimiento determinado. El rendimiento de labomba viene dado por:Donde:Pi = Potencia absorbida, HP.= Peso especifico del lquido a ser bombeado.Q = Caudal, m3/s.Ht = Altura manomtrica, m.= Rendimiento de la bombaPara determinar la potencia absorbida por el motor, se divide la potenciaabsorbida por la bomba entre la eficiencia del motor:Donde,Pm = Potencia del motorm = Rendimiento de motor.Los rendimientos de las bombas generalmente varan entre 60% y 85%.Las prdidas de energa dentro de las bombas pueden clasificarse comovolumtricas, mecnicas e hidrulicas.Las prdidas volumtricas son producidas debido a la existencia de pequeasseparaciones entre la carcasa y el impulsor por donde pueden presentarsefugas. 17 18. Las prdidas mecnicas son originadas por fricciones mecnicas en lasempaquetaduras y cojinetes, discos internas y esfuerzos cortantes creados porel lquido. Las prdidas hidrulicas consisten en prdidas por friccin yparsitas que se producen en la circulacin del agua.Aun cuando es deseable adquirir una bomba con alto rendimiento, esconveniente ponderar su valor teniendo en cuenta otros factores, como porejemplo, el costo inicial, la velocidad de rotacin y la durabilidad.5.4 - CURVAS CARACTERSTICAS DE BOMBAS CENTRFUGASLas caractersticas de funcionamiento de una bomba centrifuga se representapor una serie de curvas en un grfico de coordenadas Q-H; Q-P y Q-. Acualquier punto Qx le corresponde un valor en las ordenadas Hx, Px y x, loscuales determinan las variables dependientes de altura, potencia y rendimiento 18 19. Podemos verificar que la bomba centrifuga puede abastecer un caudal que vadesde cero hasta cierto valor mximo, que depende del tipo y tamao de labomba y de las condiciones de succin. El rendimiento aumenta con el caudal,hasta un punto mximo, y despus decrece hasta volverse cero, en laordenada cero. Cada curva corresponde a una determinada velocidad derotacin de la bomba y a un dimetro del impulsor.5.4.1 - CURVA CARACTERSTICA Q-H DE UNA INSTALACINLa prdida de presin o altura que se experimenta en cualquier punto de unainstalacin viene dada en funcin del cuadrado de la velocidad del lquidocirculante. Dado que Q = S.v, lo anterior equivale a decir que depende delcaudal circulante con una frmula genrica del tipo Hp = Q2, dnde es elparmetro que representa las caractersticas fsicas (dimetros, longitud,materiales, obstculos, etc.) del trazado.(fig 10). 19 20. Las caractersticas de un sistema de bombeo pueden representarse en ungrfico caudal (Q) versus altura (H), partiendo de una ordenada igual a Hg(altura esttica) para Q=0 y trazando la curva de perdida de carga por friccin(hf) en funcin del caudal.Fig. 8.- Curvas del sistema y puntos de operacin de la bombaA cada caudal (Q) le corresponde una determinada altura (H). Las variacionesde la altura esttica generan otras curvas del sistema. La interseccin entre lacurva caracterstica de la bomba y cada curva del sistema definen los puntosde trabajo (A y A).Como el desgaste y las incrustaciones en las tuberas se incrementan con eltiempo, usualmente la prdida de carga por friccin y por ende la curva delsistema se calculan considerando una antigedad de las tuberas entre 10 a 15aos.20 21. La prdida de carga estimada de esta manera, ser superior al valor real de laprdida cuando la tubera es nueva. Como consecuencia, en el inicio de laoperacin, la bomba trabajar con una altura inferior a la calculada y con uncaudal superior para el cual fue seleccionado.5.4.2 - CURVA CARACTERSTICA Q-H DE UNA BOMBAAnlogamente a lo que ocurre con las instalaciones las caractersticashidralicas de una bomba se expresan mediante una curva construida sobrelos ejes Q-H de caudal y altura.Los puntos de dicha curva son obtenidos en fbrica mediante elestrangulamiento de una vlvula colocada a la salida de la bomba que simulaun cerramiento paulatino de grifos hasta llegar al cierre total. Los caudales yalturas correspondientes a distintas posiciones de la vlvula son obtenidosmediante caudalmetros y manmetros, respectivamente. Por ejemplo en la curva Q-H de la figura 12 la bomba impulsando un caudal de5 l/seg. lo eleva a 20 ms de altura pero si, por estrangulamiento de la vlvula deprueba, reducimos el caudal a 2 l/seg. lo elevar a 50 ms; y si la cerramoscompletamente el manmetro nos sealar 57 m. de altura. 21 22. Representemos ahora simultneamente la curva demanda de una instalacin yla curva caracterstica de una cierta bomba comercial (fig. 13) 22 23. 5.5 - ALTURA DE ELEVACIN DE UNA BOMBALa altura total de elevacin de una bomba, en cualquiera de los puntos de sucurva Q-H, est formada por la altura de aspiracin H(a) y la altura de impulsinH(i), (fig. 14).Ahora bien ambas tienen una componente esttica E y una componentedinmica D. La componente esttica del tramo de aspiracin es la alturageomtrica desde la superficie del lquido hasta el eje de la bomba, mientrasque la del tramo de impulsin ha de ser la altura geomtrica desde el eje de labomba hasta el punto de agua ms desfavorable. Por su parte la componentedinmica en el tramo de aspiracin ha de ser la presin necesaria para vencerel rozamiento del tramo de aspiracin Hg(a), mientras que la componentedinmica del tramo de impulsin ha de ser la presin necesaria para vencer elrozamiento del tramo de impulsin Hg(i) ms la presin residual Hr exigible alpunto de agua ms desfavorable.Llamando Hg a la altura total de elevacin y Hp a la presin total necesaria paravencer las prdidas de carga podemos escribir 23 24. Hg componente dinmica o cinticaHp + Hr componente esttica piezomtrica5.6 - PUNTO DE OPERACIN DEL SISTEMATal como fue adelantado en el punto anterior, el punto de operacin de labomba lo determina la interseccin entre la curva del sistema y la curvacaracterstica de la bomba seleccionada. En seguida se explica como sedetermina el punto de operacin de la bomba para diferentes casos:5.6.1 - EN TUBERAS EN SERIESea un sistema de dos tuberas de dimetro D1 y D2. La friccin en cadaseccin de tubera est representada por su propia curva. La curva resultantees la suma de las ordenadas de las dos curvas.5.6.2 - EN TUBERAS EN PARALELOSea un sistema el cual se deriven dos tuberas en paralelo (considerandoinsignificante la friccin del tramo OA). La curva resultante es la suma de lasabscisas de las dos curvas. 24 25. 5.6.3 - EXTRACCIN DE AGUA SUBTERRNEALa caracterstica produccin-descenso de un pozo, o sea su curva de aforo,puede plotearse en el grafico Q-H puesto que el descenso S es funcin de Q.El punto A, interseccin de la curva caracterstica del pozo con la curva de labomba, es el punto de trabajo. 25 26. 5.7 - RELACIONES CARACTERSTICAS EN LAS BOMBASCENTRGUGAS (LEY DE AFINIDAD)Para seleccionar una bomba adecuadamente se debe conocer las relacionesque permiten obtener la curva caracterstica de la bomba para una rotacindiferente de aquella para la cual se conoce su curva caracterstica. Otrasrelaciones permiten predecir la nueva caracterstica de una bomba si sereducira el dimetro del impulsor, dentro de los lmites aceptables por cadatipo de bomba.5.7.1 - VARIACIN DE LA VELOCIDAD DE ROTACIN DE LA BOMBACuando se vara la velocidad de rotacin (n): el caudal de bombeo (Q) en cadapunto de la curva caracterstica vara en proporcin directa a la velocidad derotacin; la altura (H) vara con el cuadrado de la velocidad de rotacin y lapotencia (P) consumida vara con el cubo de la velocidad de la rotacin.26 27. 5.7.2 - VARIACIN DEL DIMETRO IMPULSORSi se reducira el dimetro del impulsor una bomba (D), manteniendo la mismavelocidad de rotacin: el caudal en cada punto de la curva caracterstica variaren proporcin directa del dimetro; la altura variara con el cuadrado deldimetro y la potencia consumida variara con el cubo del dimetro.La confiabilidad de las relaciones anteriores es limitada a variaciones de 20%respecto a las caractersticas originales, especialmente en lo que se refiere a larelacin de potencia; puesto que en ellas se supone que el rendimiento semantenga constante, condicin esta que no se verifica en la prctica.5.7.3 - AMPLIACIN PRCTICA DE LA LEY DE AFINIDADLas ecuaciones descritas anteriormente, permiten determinar la curvacorrespondiente al impulsor de una bomba que pasa por un determinado punto(C), donde trabajar con un caudal Q1 y una altura H1. La curva relativa alimpulsor de dimetro D2 es conocida y es deseable que el punto C caiga sobrela curva correspondiente al dimetro del impulsor D1. Se supone que lavelocidad de rotacin es constante. 27 28. Determinacin del dimetro de impulsor requeridoSe ubica sobre la curva del impulsor D2 el punto conocido B(Q2,H2). Eldimetro del impulsor correspondiente a la curva incgnita se determinamediante la siguiente relacin:En este caso, la potencia de la bomba se calcular de la siguiente manera: 28 29. 5.8 - NPSHPara la seleccin de bombas en general, debe considerarse que la determinacinde la altura manomtrica de succin tambin depende de los siguientes factores: Altitud del lugar de instalacin de la bomba. Temperatura de lquido. Gravedad especifica del lquido.Estos factores y otros estudiados anteriormente; la altura esttica de succin y lascaractersticas de la lnea de succin (dimetro, extensin, accesorios, etc.),intervienen en la determinacin del NPSH (net positive suction head), el cuallimita las condiciones de la lnea de succin en la forma que se explicar acontinuacin.El NPSH puede ser definido como la presin esttica a que debe ser sometido unliquido, para que pueda fluir por si mismo a travs de las tuberas de succin yllegar a inundar los alabes en el orificio de entrada del impulsor de una bomba.La presin en cualquier punto del sistema de bombeo deber ser mayor a lapresin de vapor del liquido bombeado, para evitar la ocurrencia del fenmenode cavitacin en la tubera de succin o en los alabes del impulsor de la bomba.El punto ms crtico es la entrada del impulsor, donde ocurre la presin ms baja.29 30. Por tanto, si mantuviramos la presin en la entrada del impulsor superior a lapresin de vapor, no tendremos vaporizacin en la entrada de la bomba yevitaremos as, el fenmeno de cavitacin.El fin prctico, por tanto, del NPSH es imponer limitaciones a las condiciones desuccin, de modo a mantener la presin en la entrada del impulsor de la bombasobre la presin de vapor del lquido bombeado.5.8.1 - NPSH REQUERIDOEl fabricante define las limitaciones de succin de una bomba mediante lacurva del NPSH requerido por la misma, para varios valores de caudal.El NPSH requerido depende exclusivamente del diseo interno particular de cadabomba y vara mucho con el caudal y la velocidad de la bomba. Vara tambinentre bombas distintas de un mismo fabricante y con mayor razn entre las dedistintos fabricantes.Actualmente, toda curva caracterstica de una bomba incluye la curva de NPSHrequerido en funcin del caudal. Esta curva describe la magnitud de la presintotal, que debe existir como mnimo en la entrada de la bomba para evitar lacavitacin o en otras palabras permite calcular las alturas mximas de succin dela bomba para cada valor de caudal.5.8.2 - NPSH DISPONIBLEEs la presin abastecida por el sistema hidrulico externo a la bomba ydepende exclusivamente de las caractersticas hidrulicas de la red externa desuccin conectada a la bomba.Para que la instalacin opere satisfactoriamente, sin fallas hidrulicas nimecnicas, el NPHS disponible en el sistema deber ser mayor por lomenos en 0.50 metros al NPSH requerido por la bomba.El NPSH disponible se calcular de la siguiente manera: 30 31. Donde:P = Presin externa en el tanque o pozo de succin, en los casos detanques abiertos a la atmsfera, P=0.Pa = Presin atmosfrica.Pv = Presin de vapor del liquido bombeado, a la temperatura de bombeo.Hs = Altura esttica de succin: positiva cuando el nivel del tanque desuccin est sobre la lnea de eje de la bomba y negativa cuando estdebajo.hf = Sumatoria de todas las perdidas de carga en la lnea de succin.G.E = Gravedad especifica del liquido bombeado.5.8.3 - CAVITACINLa cavitacin o aspiracin en vaco es un efecto hidrodinmico que se producecuando el agua o cualquier otro fluido en estado lquido pasa a gran velocidadpor una arista afilada, produciendo una descompresin del fluido debido a laconservacin de la constante de Bernoulli (Principio de Bernoulli). Puede ocurrir que se alcance la presin de vapor del lquido de tal forma quelas molculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor,formndose burbujas o, ms correctamente, cavidades. Las burbujas formadasviajan a zonas de mayor presin e implotan (el vapor regresa al estado lquidode manera sbita, aplastndose bruscamente las burbujas) produciendo unaestela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina estefenmeno.La implosin causa ondas de presin que viajan en el lquido. Estas puedendisiparse en la corriente del lquido o pueden chocar con una superficie. Si lazona donde chocan las ondas de presin es la misma, el material tiende adebilitarse metalrgicamente y se inicia una erosin que, adems de daar lasuperficie, provoca que sta se convierta en una zona de mayor prdida depresin y por ende de mayor foco de formacin de burbujas de vapor.Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una paredslida cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el lquido al aplastar lacavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas,ocasionando picaduras sobre la superficie slida.El fenmeno generalmente va acompaado de ruido y vibraciones, dando laimpresin de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de lamquina.31 32. La cavitacin de succin ocurre cuando la succin de la bomba se encuentraen unas condiciones de baja presin/alto vaco que hace que el lquido setransforme en vapor a la entrada del rodete. Este vapor es transportado hasta la zona de descarga de la bomba donde elvaco desaparece y el vapor del lquido es nuevamente comprimido debido a lapresin de descarga. Se produce en ese momento una violenta implosin sobrela superficie del rodete. Un rodete que ha trabajado bajo condiciones decavitacin de succin presenta grandes cavidades producidas por los trozos dematerial arrancados por el fenmeno. Esto origina el fallo prematuro de labomba.Desgaste producido por la cavitacin en un rodete de una bomba centrfuga.32 33. Para evitar la cavitacin: 33 34. 5.9 - CARACTERSTICAS DEL LQUIDOSe debe especificar el tipo y las caractersticas del lquido a bombear, este datoes importante para determinar el tipo y tamao de la bomba, tipo de impulsoresy para establecer los materiales a utilizarse.Son importantes los siguientes parmetros fsicos y qumicos del lquido abombearse: TemperaturaDebe ser indicado el rango de temperatura del lquido en el cual trabajar labomba, es recomendable ser muy concreto en este aspecto y evitar darindicaciones tales como es agua limpia a temperatura ambiente.Gravedad especificaDebe ser indicado la gravedad especfica del lquido a la temperatura debombeo, es vital para una correcta determinacin de la potencia de la bomba.ViscosidadCuando la viscosidad del lquido manejado es distinta a la del agua, lacapacidad de la bomba y la altura y potencia de bombeo deben ser corregidas. pHEl conocimiento del pH que tenga el lquido a bombearse servir paraseleccionar el material adecuado de la bomba y sus componentes.Slidos en suspensinEl tamao y naturaleza de los slidos suspendidos en el lquido determinarn eltipo y el material del impulsor. Si los slidos son muy abrasivos, se requerir deimpulsor abierto y hasta en algunos casos forrados con jebe. Cuando losslidos son de gran tamao es conveniente utilizar impulsores abiertos del tipohelicoidal.5.10 - CARACTERSTICAS DE LA BOMBA5.10.1 - NMERO DE UNIDADESEl nmero de unidades de bombeo depender del caudal de bombeo y de susvariaciones, y de la necesidad de contar con una unidad de reserva paraatender situaciones de emergencia. 34 35. Es recomendable adoptar el siguiente criterio:- Para pequeas estaciones (poblacin de diseo menor a 2000 habitantes)se colocarn dos unidades, cada una con capacidad de bombear el caudal debombeo calculado. Una de ellas ser la unidad de reserva y funcionaralternadamente con la unidad principal.- En estaciones mayores (poblacin de diseo mayor a 2000 habitantes), elnmero mnimo ser de dos unidades. Cuando se utilicen nicamente dosbombas, cada una de ellas debe tener una capacidad igual al caudal de diseode la estacin y una trabajar de reserva. Cuando se utilicen ms de dosbombas; deber ser prevista adems de las unidades necesarias para elcaudal mximo, por lo menos una bomba de reserva con capacidad igual a lamayor de las bombas instaladas.5.10.2 - VELOCIDAD ESPECFICAAntes de introducir este concepto y explicar como influye en la seleccin debombas, es importante recordar la idea de similitud dinmica en bombascentrifugas.Las bombas geomtricamente similares o unidades homologas son aquellasfabricadas en una serie de tamaos, donde las dimensiones interiores guardanuna cierta proporcin de escala. Sus eficiencias sern muy parecidas si operanen condiciones homologas, a velocidades y caudales tales que la proporcinentre ellos se mantenga constante. Cuando se operan las bombas homologasde esta manera, es posible clasificar toda la serie basndose en las pruebasrealizadas en un solo tamao, o un pequeo nmero de tamaos tpicos.La velocidad especfica Ns, que es un ndice numrico igual a la velocidadque debera tener una bomba homologa para abastecer 1 m3/s a unaaltura de 1 metro.Es decir, con la velocidad especfica podemos compara los tipos de bomba conbase a una unidad de presin y una unidad de caudal, as tenemos:Ns = Velocidad especificaN = Velocidad de rotacin, rpmQ = Caudal, m3/s.H = Altura, m.35 36. La velocidad especfica se calcula para una bomba de un diseo dado,utilizando aquellos valores de N, Q y H correspondiente a la capacidad nominalde la bomba, es decir, aquella de mxima eficiencia a la velocidad establecida.Para bombas de succin doble, la velocidad especfica se calcula a la mitad delcaudal total y para bombas de etapas mltiples, en las que la presin total sedistribuye entre las etapas, el valor de altura es el correspondiente a cadaetapa.La expresin de velocidad especfica muestra que, si se tienen dos bombas:-Que abastecen las mismas condiciones de altura y caudal, la de velocidadespecfica mayor tendr rotacin mayor y ser de menor tamao.-Con la misma rotacin y capacidad, la de velocidad especfica mayorabastecer menor altura.-Con la misma velocidad y altura, la de velocidad especfica mayor abastecemayor capacidad.La velocidad especfica identifica a las caractersticas de un grupo de bombas,principalmente tiene estrecha relacin con las caractersticas del impulsor, portanto, el valor de la velocidad especfica describir de inmediato laconfiguracin aproximada del impulsor.Del mismo, las bombas con la misma velocidad especfica tendrn curvascaractersticas semejantes..36 37. La seleccin preliminar de una bomba puede realizarse utilizando un grafico develocidad especfica, tal como el que se muestra en la Figura 15Con los datos de del proyecto se calcula la velocidad especfica, recurrimos aun grafico similar al anterior, y seleccionamos el tipo de bomba ms eficientepara el caudal de bombeo de diseo.5.10.3 - BOMBAS HORIZONTALES CONTRA VERTICALESEn la Tabla 2 se detallan las ventajas y desventajas del uso de los diferentestipos de bombas centrifugas y en la Tabla3 se enumera las frecuentesaplicaciones de cada tipo de bombas.37 38. 38 39. 39 40. 5.11 - FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE LAS BOMBAS.Si el caudal de una sola bomba no fuese suficiente, puede aumentarse elcaudal conectando varias bombas en paralelo. (Ver figura 19). Sin embargo, nobasta multiplicar el caudal de una bomba por el nmero de ellas, sino que hayque proceder del modo siguiente: si trabaja solamente la bomba 1, se tiene elpunto de funcionamiento B1, si trabaja la bomba 2 solamente, el punto defuncionamiento es el B2.Para calcular el punto de funcionamiento del conjunto B es necesario construirprimero una curva Q-H comn. La curva caracterstica comn se obtiene poradicin de los caudales de cada una de las bombas. Para ello se tomanprimero sobre el eje de ordenadas varios valores, elegidos arbitrariamente, dealturas de elevacin y se llevan estas alturas, por ejemplo H1/H2/H3, a lascurvas de las bombas 1 y 2. En los puntos de interseccin de las alturas H1, H2,H3, con la curva de la bomba 1 se obtienen los caudales correspondientes Q 1,Q2, Q3. Estos caudales se suman ahora simplemente a los caudales obtenidoscon la curva de la bomba 2 en los puntos de interseccin con las alturas H1, H2,H3. Los puntos C, D, E as obtenidos se unen entre s para formar la curvacaracterstica comn de las bombas 1 y 2.El punto de interseccin de la curva caracterstica de la instalacin con lanueva curva caracterstica es el punto de funcionamiento B de las bombasfuncionando en paralelo. La curva caracterstica comn comienza en A porquepor encima de A la bomba 1 an no produce elevacin.40 41. La figura 20 aclara el clculo de la curva caracterstica comn de dos bombasconectadas en paralelo cuando tienen iguales curvas Q-H.Se aprecia claramente que el caudal conjunto que se consigue en el punto defuncionamiento B es menor que la suma de los caudales que se obtendran concada una de las bombas por s solas en el punto B15.12 - FUNCIONAMIENTO EN SERIE DE LAS BOMBASSe efecta la conexin de varias bombas, una a continuacin de la otra(conexin en serie) cuando no basta una sola bomba centrfuga para vencer laaltura de elevacin deseada. En el funcionamiento en serie se suman lasalturas de elevacin de cada una de las bombas para el mismo caudalelevado.(Ver figura 21).Para determinar el punto de funcionamiento B para la elevacin comn, hayque determinar primero la lnea Q-H del conjunto. Esta nueva curva se obtienesumando las alturas de elevacin de cada una de las bombas para un mismocaudal. La altura de elevacin H1 de la bomba 1 para el caudal Q1 se transportasobre la curva de la bomba 2, y lo mismo se hace con H2, H3, etc.41 42. Los puntos A, C, D, as obtenidos se unen para formar la curva caractersticacomn de las bombas 1 y 2. El punto de interseccin de la curva caractersticade la instalacin con la nueva lnea Q-H es el punto de funcionamiento B de lasbombas centrfugas conectadas en serie.5.13 - SELECCIN DE UNA BOMBAEl clculo de las prdidas de carga en la red mas desfavorable nos dar lapresin necesaria a la salida de la bomba.Aadiendo las prdidas de carga en la aspiracin mas la altura de laaspiracin, obtenemos la Hmt (altura manomtrica total).La Hmt vara segn el tipo de la bomba y la posicin de la fuente de agua. Elcaudal y la Hmt determinan la eleccin de la bomba.42 43. Cada constructor propone toda una gama de bombas que se adaptan a cadasituacin. Cada tipo de bomba tiene una tabla caracterstica que tiene encuenta:Caudal.Hmt.Curvas caractersticas segn el nmero de etapas.Rendimiento.Potencia absorbida.NPSH.NPSH representa la carga mnima al nivel de la brida de aspiracin para que labomba funcione correctamente. NPSH (Net Positive Suction Head) es unparmetro que indica la capacidad de las bombas de aspirar en vaco, es decirque la altura mxima terica de aspiracin ser de 10,33 m (presinatmosfrica a nivel del mar).Fsicamente indica la presin absoluta que debe existir a la entrada de labomba para que no existan problemas de cavitacin, que consiste en laformacin de pequeas burbujas de vapor que implosionan generando seriosproblemas serios daos en la bomba y produciendo un ruido similar al delgolpeteo metlico de un martillo.CURVAS CARACTERSTICASEl comportamiento hidrulico de un determinado modelo de bomba vieneespecificado en sus curvas caractersticas que representan una relacin entrelos distintos valores de caudal proporcionado por la misma con otrosparmetros como la altura manomtrica, el rendimiento hidrulico, la potenciaabsorbida y el NPSH requerido. Estas curvas, obtenidas experimentalmente enun banco de pruebas, son facilitadas por el fabricante a una velocidad derotacin determinada. Se trata curvas extradas a partir de series estadsticas yque, por tanto, estn sujetas a unas determinadas tolerancias.El punto de diseo de una bomba lo constituye aquel en el que elrendimiento es mximo. A la hora de seleccionar nos centraremos enaquellas cuyo punto de diseo est prximo a las condiciones de trabajo querequerimos. Un grupo que trabaja en un punto muy alejado de su punto dediseo, no realiza una transformacin eficiente de la energa mecnica enenerga hidrulica, lo cual implica un coste excesivo de la energa deexplotacin, amn de estar sujeto a un mayor nmero de averas.El punto de funcionamiento de una bomba va a estar determinado por lainterseccin de la curva caracterstica de la conduccin o de la red con la curvade carga (curva caudal-altura manomtrica) de la bomba. 43 44. Ejemplo. Se pide elegir una bomba que aporte un caudal de 10 m3/h yuna altura manomtrica total de 80 m.Entre las familias de bombas escogemos la familia cuyas curvas caractersticasdan el mejor rendimiento para el caudal solicitado. En este caso sera la familiarepresentada por las curvas caractersticas que adjuntamos abajo que dan unrendimiento mximo del 60%.El punto determinado por el caudal de 10 m3/h y la altura manomtrica de 80 mse sita entre dos curvas. En estos casos siempre escogeremos la curvasuperior. En este caso la que corresponde a la bomba de modelo KV 32/4 quenos aporta un caudal de 10 m3/h y una altura manomtrica para ese caudal de85 m. En el nombre del modelo KV 32/4, 4 indica el nmero de etapas o fases.En la curva vemos que la potencia absorbida por fase es de 0,9 Kw/fase, o seaque para el conjunto ser:0,9 x 4 = 3,6 Kw = 4,98 CV por lo que el motor que debe ir acoplado a la bombadebe ser de 5 CV.44 45. NOTA: 1 CV = 0,736 KwEn la curva caracterstica tambin vemos que la altura prctica de aspiracin esde:NPSH = 2,9 m.Por lo tanto la altura prctica es de 10-2,9 = 7,1 m. 45