Las bombas se agrupan generalmente en dos grandes categorías: bombas de desplazamiento positivo y bombas dinámicas (centrífugas). Las bombas de desplazamiento positivo utilizan un medio mecánico para variar el tamaño de (o mover) la cámara del fluido para hacer que éste fluya. Por otro lado, las bombas centrífugas imparten un impulso al fluido mediante la rotación de impulsores que están sumergidos en el fluido. El impulso produce un aumento de la presión o del caudal en la salida de la bomba.
Las bombas de desplazamiento positivo tienen una característica de par constante, mientras que las bombas centrífugas muestran características de par variable. En este artículo se tratarán únicamente las bombas centrífugas.
Una bomba centrífuga convierte la energía del conductor en energía cinética en un líquido acelerando el fluido hacia el borde exterior de un impulsor. La cantidad de energía entregada al líquido corresponde a la velocidad en el borde o punta del álabe del impulsor. Cuanto más rápido gire el impulsor o cuanto más grande sea el impulsor, mayor será la velocidad del líquido en la punta del álabe y mayor será la energía impartida al líquido.
Figura 1. Bomba centrífuga
Características
La creación de una resistencia al flujo controla la energía cinética de un líquido que sale de un impulsor. La primera resistencia la crea la voluta de la bomba (carcasa), que atrapa el líquido y lo frena. Cuando el líquido se ralentiza en la carcasa de la bomba, parte de la energía cinética se convierte en energía de presión. La resistencia al flujo de la bomba es lo que se lee en un manómetro conectado a la línea de descarga. Una bomba no crea presión, sólo crea caudal. La presión es una medida de la resistencia al flujo.
Figura 2. Representación de la cabeza de descarga estática, la elevación de succión estática y la cabeza estática total
Cabeza-Resistencia al flujo
En los fluidos newtonianos (verdaderos) (líquidos no viscosos, como el agua o la gasolina), el término cabeza es la medida de la energía cinética que crea una bomba centrífuga. Imagina una tubería que lanza un chorro de agua directamente al aire. La altura que alcanza el agua es la altura. La cabeza mide la altura de una columna de líquido, que la bomba podría crear como resultado de la energía cinética que la bomba centrífuga da al líquido. La razón principal para utilizar la cabeza en lugar de la presión para medir la energía de una bomba centrífuga es que la presión de una bomba cambiará si la gravedad específica (peso) del líquido cambia, pero la cabeza no cambiará. Los usuarios finales siempre pueden describir el rendimiento de una bomba con cualquier fluido newtoniano, ya sea pesado (ácido sulfúrico) o ligero (gasolina), utilizando la altura. La altura está relacionada con la velocidad que el líquido adquiere al pasar por la bomba.
Todas las formas de energía que intervienen en un sistema de flujo de líquido pueden expresarse en términos de pies de líquido. El total de estas cabezas determina la cabeza total del sistema o el trabajo que una bomba debe realizar en el sistema. Los diferentes tipos de altura -fricción, velocidad y presión- se definen en esta sección.
La altura de fricción (hf)
La altura de fricción es la altura necesaria para vencer la resistencia al flujo en las tuberías y accesorios. Depende del tamaño, condición y tipo de tubería; del número y tipo de accesorios de tubería; del caudal; y de la naturaleza del líquido.
Cabeza de velocidad (hv)
La cabeza de velocidad es la energía de un líquido como resultado de su movimiento a cierta velocidad (V). Es la cabeza equivalente en pies por la que tendría que caer el agua para adquirir la misma velocidad o, en otras palabras, la cabeza necesaria para acelerar el agua. La cabeza de velocidad puede calcularse mediante la siguiente fórmula:
Donde:
g = 32,2 pies/seg.2
V = velocidad del líquido en pies/seg.
La cabeza de velocidad es normalmente insignificante y puede ser ignorada en la mayoría de los sistemas de gran altura. Sin embargo, puede ser un factor importante y debe tenerse en cuenta en los sistemas de baja altura.
La altura de la presión debe tenerse en cuenta cuando un sistema de bombeo se inicia o se vacía en un depósito que está a una presión distinta de la atmosférica. La presión en dicho depósito debe convertirse primero en pies de líquido. Un vacío en el tanque de succión o una presión positiva en el tanque de descarga debe añadirse a la altura del sistema, mientras que una presión positiva en el tanque de succión o un vacío en el tanque de descarga se restaría. La siguiente es una fórmula para convertir pulgadas de mercurio de vacío en pies de líquido:
Los diferentes tipos de cabeza se combinan para formar la cabeza total del sistema en cualquier caudal particular. Las descripciones de esta sección son de estas alturas combinadas o dinámicas, tal como se aplican a la bomba centrífuga.
Elevación de aspiración dinámica total (hs)
La elevación de aspiración dinámica total es la elevación de aspiración estática menos la altura de velocidad en la brida de aspiración de la bomba más la altura de fricción total en la línea de aspiración. La altura de aspiración dinámica total, determinada en una prueba de la bomba, es la lectura de un manómetro en la brida de aspiración, convertida en pies de líquido y corregida a la línea central de la bomba, menos la altura de velocidad en el punto de fijación del manómetro.
La altura de descarga dinámica total (hd)
La altura de descarga dinámica total es la altura de descarga estática más la altura de velocidad en la brida de descarga de la bomba más la altura de fricción total en la línea de descarga. La altura de descarga dinámica total, determinada en la prueba de la bomba, es la lectura de un manómetro en la brida de descarga, convertida a pies de líquido y corregida a la línea central de la bomba, más la altura de velocidad en el punto de fijación del manómetro.
Términos de la bomba
La altura de aspiración existe cuando la fuente de suministro está por debajo de la línea central de la bomba. Por lo tanto, la altura de aspiración estática es la distancia vertical en pies desde la línea central de la bomba hasta el nivel libre del líquido a bombear.
La altura de aspiración existe cuando la fuente de suministro está por encima de la línea central de la bomba. Por tanto, la altura de aspiración estática es la distancia vertical en pies desde la línea central de la bomba hasta el nivel libre del líquido a bombear.
La altura de descarga estática es la distancia vertical en pies entre la línea central de la bomba y el punto de descarga libre o la superficie del líquido en el depósito de descarga.
La altura estática total es la distancia vertical en pies entre el nivel libre de la fuente de suministro y el punto de descarga libre o la superficie libre del líquido de descarga.
Cabeza total o cabeza dinámica total
La cabeza total (H), o cabeza dinámica total (TDH), es la cabeza dinámica total de descarga menos la cabeza dinámica total de succión:
TDH = hd + hs (con altura de aspiración)
TDH = hd – hs (con altura de aspiración)
Potencia
El trabajo realizado por una bomba centrífuga es una función de la altura total y del peso del líquido bombeado en un periodo de tiempo determinado. La capacidad de la bomba en galones por minuto y la gravedad específica del líquido se utilizan normalmente en las fórmulas en lugar del peso real del líquido.
La entrada de la bomba o potencia de frenado (BHP) es la potencia real entregada al eje de la bomba. La salida de la bomba o potencia del agua (WHP) es la potencia del líquido suministrada por la bomba. Estos dos términos se definen mediante las siguientes fórmulas:
Lectura de la curva de rendimiento de una bomba
Las características de la bomba -como el caudal, la presión, el rendimiento y la potencia de frenado- se muestran gráficamente en una curva de la bomba. El primer elemento que hay que observar es el tamaño de la bomba. El tamaño de la bomba, 2×3-8, se muestra en la sección superior del gráfico. Los números 2×3-8 indican:
- La salida (puerto de descarga) es de 2 pulgadas.
- La entrada (puerto de succión) es de 3 pulgadas.
- El impulsor tiene un diámetro de 8 pulgadas.
Algunas empresas pueden tener el número mostrado como 3×2-8. El mayor de los dos primeros números es la entrada. La velocidad de la bomba (rpm) también se muestra en la sección superior del gráfico e indica el rendimiento a una velocidad de 3.560 rpm. Toda la información es representativa de esta velocidad de funcionamiento.
La capacidad o caudal se muestra a lo largo de la parte inferior de la curva. Los niveles de caudal se muestran para la velocidad de funcionamiento de 3.560 rpm, pero indican el efecto de la cabeza a medida que se estrangula la salida.
El lado izquierdo de la curva de rendimiento muestra la cabeza (pies) generada a los diferentes caudales. En el gráfico aparecen múltiples curvas de caudal frente a la altura (véase la figura 3). Cada una representa un tamaño de impulsor diferente (recortado). Para esta bomba, el rango de impulsores es de 5,5 pulgadas a 8,375 pulgadas.
Figura 3. Muestra de la curva de rendimiento de la bomba
Las curvas de rendimiento se superponen en el gráfico (líneas verticales) e indican de 64 a 45 por ciento de rendimiento para esta bomba. A medida que se aumenta la altura, el caudal y el rendimiento disminuyen.
La potencia de frenado se muestra con las líneas discontinuas trazadas en diagonal desde la parte superior izquierda a la inferior derecha. Las curvas BHP se muestran para 7,5 a 30 caballos de fuerza. Utilizando el impulsor de 8 pulgadas con un caudal de 250 gpm, la BHP es de aproximadamente 25 caballos.
Leyes de afinidad aplicadas a las aplicaciones de bombas centrífugas
Curvas de la bomba y del sistema
La curva de la bomba es únicamente una función de las características físicas de la bomba. La curva del sistema depende completamente del tamaño de la tubería, la longitud de la misma, el número y la ubicación de los codos y otros factores. El punto de intersección de estas dos curvas es el punto de funcionamiento natural (véase la figura 4). Aquí es donde la presión de la bomba coincide con las pérdidas del sistema y todo está equilibrado.
Figura 4. Ejemplo de curvas del sistema de bombeo
Si el sistema forma parte de un proceso que cambia a menudo o continuamente, es necesario algún método para alterar las características de la bomba o los parámetros del sistema. Dos métodos pueden lograr el objetivo de variar continuamente el caudal. Un método es el estrangulamiento, que cambia la curva del sistema mediante el uso de una válvula de control o estrangulamiento. El otro método consiste en variar la velocidad de la bomba, lo que modifica la curva de la misma.
Sistema de estrangulamiento
Con el método de estrangulamiento, la obstrucción del caudal aumenta la presión de la cabeza. En la figura 6 se muestra un sistema con dos ajustes diferentes de la válvula.
Figura 5. Sistema de estrangulación
Figura 6. Ejemplo de requisitos de potencia para el sistema de estrangulamiento
Para comparar, utilicemos un ejemplo para determinar los requisitos de potencia para el sistema de estrangulamiento, y luego el sistema de velocidad variable. Se utiliza una bomba (con un impulsor de 8 pulgadas) que funciona a una velocidad base de 3.560 rpm. Esta bomba va a operar un sistema que requiere una altura de 250 pies a 250 gpm (ver Figura 6).
A partir de la información mostrada, los requerimientos de caballos de fuerza a los caudales del sistema de estrangulamiento se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Requisitos de potencia del sistema de estrangulamiento
Sistema de velocidad variable
En comparación, el método de velocidad variable aprovecha el cambio en las características de la bomba que se produce cuando se modifica la velocidad del impulsor (véase la figura 7). La disminución de la velocidad de la bomba cambia la curva de la bomba en función de la altura generada por la velocidad del fluido bombeado. Recuerde que la altura es igual a V2/2g.
Figura 7. Ejemplo de sistema de velocidad variable
Leyes de afinidad
Un conjunto de fórmulas que se utiliza para predecir el funcionamiento de una bomba centrífuga en cualquier punto de funcionamiento basándose en las características originales de la bomba se conoce como leyes de afinidad.
Donde:
N = Velocidad de la bomba
Q = Caudal (gpm)
P = Presión (pies)
HP = Caballos de fuerza
Utilizando el mismo ejemplo de bomba que el sistema de estrangulamiento, se calculan los requerimientos de potencia para el sistema para diferentes
velocidades (ver Tabla 2).
Utilice las leyes de afinidad para calcular los valores del resto de los puntos de funcionamiento. Obviamente, la variación de la velocidad requiere mucha menos potencia. Para determinar la potencia real requerida, hay que tener en cuenta la eficiencia del accionamiento. El ahorro de energía dependerá de la cantidad de tiempo que la bomba funcione en cada punto de velocidad reducida.
Para calcular el ahorro real, la potencia de frenado debe convertirse en vatios y luego multiplicarse por las horas de funcionamiento. El resultado se multiplica entonces por el coste por kilovatio hora para mostrar el coste de funcionamiento de la bomba en cada punto de flujo. Reste el valor de la velocidad variable del valor de estrangulamiento para mostrar la diferencia en el coste energético.
Usando las cifras de la Tabla 2, un caudal de 200 gpm cuando se estrangula requiere 22,5 caballos de potencia. Con la velocidad variable sólo se necesitan 12,8 caballos de fuerza. Si el caudal se requiere durante 2.000 horas al año a 7 céntimos por kilovatio hora, la comparación de costes es:
Sistema de estrangulamiento:
22,5 CV x 0,746 = 16,785 kW
16,785 x 2.000 = 33.570 kWh
33.570 x 0.07 = 2.350 $
Sistema de velocidad variable:
12,8 x 0,746 = 9,5488 kW
9,5488 x 2.000 = 19.097 kWh
19.097 x 0,07 = 1.337 $
Ahorro:
2.350 $ -1.337 $ = 1.013 $
El ejemplo no tenía asociada una cabeza estática. Un sistema con cabeza estática sí cambia la curva del sistema y los requerimientos de caballos. Cuanto mayor sea la cabeza estática de un sistema, menor será el posible ahorro de energía. Esto se debe a que la curva del sistema es más plana, por lo que la mayor parte de la energía se utiliza para superar el cambio de elevación asociado a los sistemas de gran altura estática.
Conclusión
Este artículo ilustra cómo la naturaleza inherente del funcionamiento de las bombas centrífugas las convierte en las principales candidatas para el ahorro de energía. La mayoría de los sistemas de bombeo están diseñados y sobredimensionados para las peores condiciones de carga. Siguiendo el principio de las leyes de afinidad, sólo con reducir el caudal de una bomba centrífuga sobredimensionada en un 20% se puede reducir el consumo de energía en un 50% aproximadamente, lo que supone un ahorro energético espectacular.