Bombas Centrífugas. Aplicación, Sistemas, Principios Fundamentales y Selección (página 2)

Sistema
(líneas de flujo).

En muchas ocasiones el sistema al cual
se necesita acoplar una bomba existe con anterioridad, y el trabajo se
reduce a conocer y entender bien las características del
mismo, para así poder
determinar satisfactoriamente la bomba necesaria para poder
cumplir con los requerimientos del proceso.

Asumiendo que se debe concebir el sistema para que
satisfaga las necesidades del proceso, se deben tener en cuenta
los siguientes aspectos:

• Caudal requerido.
• Cabeza requerida (este aspecto está
  fuertemente influenciado por las características del
  sistema).
• Fluido a bombear.
• Temperatura del fluido.

La característica de un sistema está dada
por la curva de cabeza-caudal, la cual está dada por dos
componentes; la cabeza estática
total, TSH, (Fija. Independiente del caudal manejado) y la Cabeza
Dinámica, CD, (Variable.
Dependiente del caudal manejado).

Esta Cabeza Estática Total (TSH) se
determina físicamente sobre el sistema, y generalmente se
dan las dos configuraciones siguientes:

• La bomba se encuentra por encima del nivel de
  succión (Fig.2).
• La bomba se encuentra por debajo del nivel de
  succión (Fig.3).

Fig. 2 ? Bomba por encima de la
succión.

En este caso la Cabeza Estática Total (TSH) es la
suma de la Elevación de Succión Estática
(SSL), más la Cabeza Estática de Descarga
(SDH).

Fig. 3 ? Bomba por debajo de la
succión.

En este caso la Cabeza Estática Total (TSH) es la
diferencia entre la Cabeza Estática de Descarga (SDH),
menos la Cabeza Estática de Succión
(SSH).

La Cabeza Dinámica es variable, ya que
depende de varios factores, como son; caudal manejado por el
sistema (velocidad de
flujo), las características físicas de la
tubería (diámetro y rugosidad) y la viscosidad del
fluido (es función de
la temperatura),
forma general de la línea (accesorios y válvulas).

Dicha cabeza cuantifica las perdidas de energía
que se generan por fricción en la tubería, y
cambios de dirección (o obstrucciones) producto de
las válvulas y los accesorios.

• Para calcular las pérdidas por fricción
  el la tubería se utiliza la ecuación de
  Darcy-Weisbach:

Donde: =
Factor de fricción.

• Para calcular las pérdidas por accesorios y
  válvulas se utiliza el método
  de Coeficiente de Resistencia K.
  Con la siguiente ecuación:

Donde: K= Factor de fricción.

Así la cabeza dinámica es igual a la suma
de las dos expresiones anteriores.

Ahora, la característica total del sistema
está dada por (Fig. 4):

Fig. 4 ? Característica H-Q del
Sistema.

Ahora, ya que está determinado el comportamiento
del sistema dependiendo del caudal manejado, revisaremos las
características de la bomba, para así elegir la
bomba mas apropiada.

Principios
fundamentales.

Una bomba centrifuga es una maquina que convierte la
potencia de
entrada (rotativa, motor) en
energía cinética en el fluido por medio de un
mecanismo giratorio, el impulsor.

El principal fenómeno físico de
transferencia de energía es el efecto centrífugo
ejercido sobre el fluido. Adicionalmente, el efecto de la forma
de la voluta o carcaza sobre el fluido es la
transformación de energía (de cabeza de velocidad a
cabeza de presión)
por el fenómeno de continuidad, también contribuye
al aumento del nivel energético del fluido en la descarga
de la bomba (Fig. 5).

Fig. 5 ? Arreglo
Impulsor-Voluta.

El nivel energético del fluido en cualquier punto
(*) esta dado por la expresión:

Considerando que la bomba transfiere energía al
fluido, se puede hacer un balance energético entre la
succión y la descarga de la bomba; puntos 1 y 2,
respectivamente (Fig.6).

Fig. 6 ? Balance energético de la
bomba.

La energía entregada por la bomba al fluido,
despreciando la transferencia de calor y el
trabajo
viscoso está dada por H, (en términos de
cabeza).

Dado que existen perdidas internas en las bombas de tipo
hidráulicas, volumétricas y mecánicas; cobra
sentido definir la eficiencia de la
bomba.

En función de la potencia transferida al fluido y
la potencia entregada a la bomba por el eje del motor, se define
la eficiencia así:

El movimiento del
impulsor genera una baja presión en la succión de
la bomba, lo cual hace que el fluido se mueva hacia el ojo del
impulsor (Fig.7).

Fig. 7 ? Distribución de presión en el
impulsor de una bomba centrífuga radial.

En la figura anterior se muestra la
generación de la presión en la medida en que el
líquido va abandonando el impulsor. Adicionalmente se
muestra claramente la diferencial de presión entre el lado
convexo con relación al cóncavo del
alabe.

Ahora, después de entender el funcionamiento de
una bomba, es momento de ver como se comporta una bomba
centrífuga radial, en función de sus variables de
operación.

Los fabricantes de bombas proveen las curvas
características de la bomba, las cuales muestran la
cabeza, la eficiencia, potencia y NPSH-R, versus el caudal
manejado por la bomba (Fig. 8).

Fig. 8 ? Curvas características de
la bomba.

En este momento es importante definir el BEP,
(siglas en ingles de Punto de Mejor Eficiencia); este punto como
su nombre lo dice, esta asociado a los parámetros de
operación de la bomba en la cual su eficiencia es
máxima. Así, entonces hay un valor de
caudal y de cabeza relacionados al BEP (QBEP y
HBEP). Lo ideal es trabajar la bomba en este punto (o
en su vecindad), para suplir las necesidades del
proceso.

Selección.

En este momento, ya es claro el comportamiento
individual y por separado, del sistema y de la
bomba. Ahora el trabajo consiste en hacer una buena
selección de la bomba, según los
requerimientos del proceso (principalmente, cabeza y caudal
requerido).

Hay que hacer especial claridad y énfasis en que;
una bomba centrífuga siempre tratará de operar
en el punto donde su curva característica se intercepte
con la curva característica del sistema (Fig.
9).

Fig. 9 ? Comportamiento conjunto Sistema
– bomba.

El paso siguiente es la selección de la bomba,
para esto se debe tener en cuenta dos aspectos
primordiales:

1. Y

2. Buscar una bomba que los valores
   de cabeza y caudal en su BEP, coincidan ó sean similares
   a la cabeza y caudal requeridos por el proceso.
   Así:
3. Buscar una bomba la cual tenga una curva
   cabeza-caudal (H-Q), cuya característica pueda cumplir
   los posibles rangos de operación para satisfacer el
   proceso.

El primer punto anterior no es mucho lo que nos puede
decir sobre el tipo de bomba a utilizar dado que varias bombas,
de varios tipos, pueden tener un BEP que se acerque al requerido
por el proceso. Pero al tener conocimiento
sobre el rango de trabajo que requiere el proceso, toma sentido
el segundo punto anterior, dado que buscaríamos una bomba
que satisfaga las necesidades pertinentes.

A continuación se presentaran tres curvas con
características H-Q muy diferentes, con los mismos
valores de
cabeza y caudal para el BEP.

Fig. 10 ? Curvas características ?
bomba flujo Radial.

Fig. 11 ? Curvas características ?
bomba flujo Mixto.

Fig. 12 ? Curvas características ?
bomba flujo Axial.

Cada una de las tres bombas anteriores cumplen a
cabalidad el primer aspecto a tener en cuenta en la
selección de la bomba. Como se mencionó
anteriormente, para poder satisfacer el segundo punto es
necesario conocer el rango de operación del proceso para
así elegir una bomba cuya curva H-Q satisfaga dichos
requerimientos, sin alejarse significativamente del punto de
mejor eficiencia de la bomba.

Además de la cabeza y el caudal, también
están asociados al BEP, un valor de potencia (bhp) y un
valor de NPSHR (siglas en ingles de Cabeza Neta de
Succión Positiva Requerida).

La potencia requerida en el BEP puede ser conseguida
dependiendo del motor seleccionado, por lo general esto no genera
mucho inconveniente dada la amplia gama de motores
desarrollados en la industria.

El termino NPSHR es una medida de la
energía mínima requerida en el ojo de
succión de la bomba, para garantizar el buen
funcionamiento de la bomba.

El NPSHR es un parámetro de la bomba y
es determinado y suministrado por el fabricante de la
bomba.

Este parámetro debe ser comparado contra el
NPSHA (siglas en ingles de Cabeza Neta de
Succión Positiva Disponible), el cual está
determinado por las características del tramo de
succión del sistema, y se puede mejorar aumentando el
diámetro de la tubería de succión, mejorando
la calidad de dicha
tubería, reduciendo la distancia de la tubería de
succión y la cantidad de accesorios en la línea.
Todo lo anterior con el fin de garantizar que:

Muchos autores y la practica aconseja que:

esto con la intención de tener un factor de
seguridad para
evitar el negativo fenómeno de cavitación, el cual
aqueja frecuentemente los sistemas de
bombeo.

Teniendo en cuenta los aspectos tratados,
seguramente se concebirán sistemas de bombeo
óptimos y eficientes, que garantizarán las mejores
condiciones de funcionamiento teniendo en cuenta el aspecto
económico desde el punto de vista de inversión inicial y de operación a
lo largo de la vida útil de todo el sistema de
bombeo.

Referencias:

• "Flow of Fluids Through Valves, Fittings, and Pipe".
  CRANE. Technical Paper No. 410.
• "Pump Handbook". Karassik ? Messina ? Cooper ? Heald.
  Thrid Edition. McGraw – Hill.
• "Bombas Rotodinamicas y de Desplazamiento Positivo".
  Burton ? Loboguerrero. Edición Julio 1999. UNIANDES.
• "Enginner?s Guide to Rotating Equipment ? The Pocket
  Reference". Mattews. Professional Enginnering
  Publishing.
• Goulds Pumps. ITT Industries.
• Seminario Bombas Centrifugas. Selección,
  Operación, y Funcionamiento. ASME International.
  Bogotá, Agosto/05.

Félix Mendoza González

Ingeniero Mecánico.