Bombas

114Bombas - Hidrulica I, 1er. Semestre 2000

Resumen : Wernher Brevis V. Revisin: Prof. Jos Vargas B.

Bombas

Terminologa:

Altura esttica de aspiracin: Es la diferencia entre la superficie del liquido a elevar y el eje de la Bomba

Altura esttica de impulsin : Es la diferencia de niveles entre el eje de la bomba y la cota piezomtrica superior. En el caso de la caera que entrega a un estanque superior esa cota piezomtrica coincide con la superficie del liquido, si la entrada es ahogada.

Altura esttica de elevacin total : Es la diferencia entre las cotas piezomtricas inferior y superior

Altura dinmica : Son las alturas estticas ms las prdidas de carga. Se habla de altura dinmica de aspiracin , de impulsin y altura dinmica total de elevacin.

Aspiracin:

Las bombas pueden ser instaladas bajo o sobre el nivel del liquido que ser elevado. Cuando la bomba est instalada sobre el nivel del agua existe aspiracin, es decir se produce un cierto grado de vaco que hace subir el liquido. La altura de elevacin mxima terica de una bomba sera de 10.33 m al nivel del mar. Sin embargo esta altura jams se alcanza debido a:

a) Prdidas de carga por frotamiento y prdidas especiales de carga en la aspiracin.

b) Presin de vapor. Cuando la presin absoluta es inferior a la presin de vapor correspondiente al liquido que se eleva , se produce vaporizacin y se interrumpe el escurrimiento. La tensin de vapor es variable con la temperatura (aumenta con ella) y por esta razn no es conveniente tener aspiracin cuando se trata de agua caliente.

Presiones de vapor para el agua a distintas temperaturas ( presiones absolutas )

t CP Kg/cm2t CP Kg/cm2

00.0062550.1602

50.0089600.2028

100.0125650.2547

150.0174700.3175

200.0238750.3929

250.0322800.4828

300.0431850.5894

350.0572900.7149

400.0750950.8620

450.09741001.0330

500.1255

c) Cavitacin: Debido al descenso de la presin de aspiracin, se separan burbujas de vapor de agua, las que al ser sometidas a presiones altas dentro de la bomba se rompen y chocan contra las paredes produciendo gran ruido y la rpida destruccin de la bomba

Naturalmente mientras mayor es la altura sobre el nivel del mar a la cual funciona la bomba, menor debe ser la altura de aspiracin.

Carga neta de succin

En las instalaciones de cierta importancia o cuando se trata de condiciones especiales de aspiracin es necesario tener en cuenta la llamada carga positiva de succin que se abrevia N.P.S.H. (net positive suction head)

Se llama carga neta de succin requerida a la altura de columna que se requiere para hacer escurrir el liquido hacia la bomba sin producir inconvenientes de cavitacin. Es un valor experimental y lo dan los fabricantes para cada tipo de bomba.

La altura de presin atmosfrica debe ser igual a la altura de aspiracin ms las perdidas de carga, ms la presin de vapor y ms la carga neta de succin.

Puede suceder que la suma de la carga neta de succin, prdidas de carga y presin de vapor sea mayor que la altura de presin atmosfrica.

En estas condiciones no puede existir altura de aspiracin sino que la bomba se deber colocar bajo el nivel del agua de modo que exista una carga positiva de aspiracin

Se habla tambin a veces de carga neta de succin disponible que no depende de la bomba sino del sistema hidrulico. Es la diferencia entre la altura de presin atmosfrica y la altura de aspiracin ms las prdidas de carga ms la presin de vapor. El ingeniero puede calcular este valor de acuerdo con las condiciones en que funciona la bomba y pedir a la fbrica, una bomba cuya carga neta de succin requerida sea como mximo la disponible.

Debe quedar bien claro que la carga neta de succin requerida es una caracterstica de la bomba, en cambio la carga neta de succin disponible depende del sistema hidrulico dentro del cual funcionar la bomba

Cebado

Se llama cebado a la operacin que consiste en extraer el aire de la caera de aspiracin y de la bomba para que quede llena con liquido . Se puede realizar esta operacin por medio de dos sistema:

a) Llenando la caera con liquido ya sea desde una fuente exterior o bien desde una caera de impulsin mediante un By-Pass

b) Extrayendo el aire por medio de una bomba de vaco

Las bombas pequeas tienen en su cuerpo un pequeo embudo por donde se puede agregar agua para cebado.

La caera de aspiracin debe tener en su extremo inferior una vlvula de pie que es una vlvula de retencin que permite mantenerla llena de liquido.

Es de gran importancia que la caera de aspiracin sea perfectamente hermtica, ya que si entra un 1% de aire, la capacidad de la bomba disminuye en un 10% y si entra el 10% de aire se pierde totalmente el cebado. Se puede decir que el 90% de las fallas de las bombas se deben a filtraciones de aire en la aspiracin.

Clasificacin de las bombas

En cuanto a su forma de funcionamiento:

a) Bombas centrifugas: Estn constituidas por una caja dentro de la cual rota un rodete que le imprime gran velocidad al liquido. La altura de velocidad se transforma en presin.

Existen 2 tipos principales de bombas centrifugas.

i) Tipo Voluta: El impulsor rota dentro de una caja en forma de espiral, cuya seccin se va ensanchando progresivamente

ii) Tipo Difusor o de paletas directrices: Existen paletas directrices fijas que rodean al impulsor, de modo que el lquido cambia de direccin al mismo tiempo que ensancha su seccin.

b) Rotatorias: Consiste en una caja fija que contiene engranajes, tornillos , labes, aspas , pistones u otros elementos que son activados por medios de un eje motriz. Se caracterizan por tener un pequeo juego y por no tener vlvulas de succin o descarga. Tienen un gasto formado por pequeos golpes de agua como en las bombas de mbolo , pero que prcticamente es continuo.

c) De movimiento alternativo: Estn formadas por un cilindro dentro de el cual se mueve un pistn que aspira e impele el liquido mediante la accin de las vlvulas. Son llamadas corrientemente bombas de mbolo . Producen un gasto intermitente

d) Varias: En este grupo se incluyen los eyectores, los arietes, bombas de aire comprimido ( bombas mamut) etc.

Curvas caractersticas

Las curvas caractersticas de las bombas son relaciones grficas entre la carga, el gasto, potencia y rendimiento. Excepto cuando se trata de bombas de muy pequeo tamao, es indispensable conocer las curvas caractersticas antes de adquirir una bomba, Ya que solo as podremos saber el comportamiento de ella una vez instalada en un determinado sistema hidrulico.

Curva QH

En esta curva se lleva en abscisa el gasto y en ordenada la carga total, a velocidad constante

El valor de H que resulta para Q = 0 es la presin que desarrolla la bomba cuando la vlvula de salida esta totalmente cerrada y es generalmente un 15 % a un 30% superior a la presin normal. Las bombas centrifugas al contrario de las de mbolo, permiten que se cierre la vlvula de salida pues su presin de estrangulamiento es limitada y su caja resiste perfectamente esa presin.

Las curvas pueden ser crecientes o decrecientes denominadas estables o inestables

Curva estable

Curva inestable

Las bombas de curva QH inestable tienen grandes problemas para ponerlas en paralelo debido a que cuando est funcionando en la parte alta de la curva, la otra no puede entrar en servicio ya que su presin es menor.

Tambin se habla de curvas planas o inclinadas segn sea la pendiente. Las bombas de curva QH inclinadas son ms convenientes cuando las condiciones de altura de elevacin son variables, ya que para una variacin dada de H la variacin de Q es mucho menor que en el caso de una curva plana.

Curva Potencia Gasto

Se puede observar que el mnimo de potencia se produce para un gasto cero o sea con vlvula de salida cerrada. La potencia se gasta slo en sostener el agua contra la vlvula y no hay consumo de energa para hacerla circular por el sistema. Esa potencia es aproximadamente un 50% - 60% de la potencia normal de funcionamiento. Se comprende que no solo es posible cerrar la vlvula de salida sino que es conveniente debido a que se tiene el mnimo de energa. Efectivamente en las grandes instalacin se hacen partir bombas con la vlvula totalmente estrangulada y se va abriendo poco a poco.

Se debe tratar en lo posible que la curva de potencia sea plana en la zona de funcionamiento cuando la carga es variable, es decir , que la potencia sea ligeramente diferente a la de funcionamiento normal.

En abscisas se lleva el gasto y en ordenadas el rendimiento en porcentaje, siempre con la velocidad constante. Para Q=0, (=0 y llega a su mximo para la condicin de funcionamiento normal. Luego empieza a descender. Las prdidas de rendimiento de una bomba pueden ser:

Hidrulicas, debido a prdidas de carga al escurrir el liquido

Mecnicas, debido a rozamiento mecnicos

De filtracin , debido a que una pequea cantidad de agua se filtra desde el lado de alta presin hacia el lado de baja presin.

El ideal es que la curva sea plana en el tramo que nos interesa. El rendimiento puede ser tan alto con de 92% para bombas grandes y tan pequeo como el 10% y an el 5% para las bombas chicas.

La potencia , que es igual al producto del gasto por la altura , sera proporcional al cubo de la velocidad. Esto suponiendo que se mantenga constante el rendimiento. En realidad el rendimiento mejora ligeramente al aumentar la velocidad debido a que la potencia hidrulica aumenta con el cubo mientras que las prdidas de carga aumentan con el cuadrado o con una potencia un poco inferior a 2.

Curva de carga del sistema.

Si consideramos el sistema hidrulico dentro del cual opera la bomba, podemos dibujar una curva que nos de en abscisas el gasto y en ordenadas las prdidas de carga totales, es decir la suma de las prdidas de carga por frotamiento en las caeras ( (JL) y de las prdidas de carga de tipo singular , evidentemente esta curva debe pasar por el origen.

Si hacemos que esta curva , en vez de partir desde cero , corte al eje de las ordenadas en el punto Ho igual a la altura esttica de elevacin total, tendremos lo que se denomina curva de carga del sistema. En otras palabras la curva anterior se ha trasladado paralelamente en la cantidad Ho.

Esta curva para cada valor del gasto nos da la altura manomtrica total de elevacin. Es muy sencilla de construir y bastan tres a cuatro puntos ya que su forma es aproximadamente parablica. Depende exclusivamente de las caractersticas hidrulicas del sistema.

Punto de funcionamiento de una bomba

Si combinamos la curva de carga del sistema con la curva Q-H de la bomba, obtenemos el punto de interseccin de ambas, las caractersticas de funcionamiento, es decir el gasto y la altura con las cuales funcionar la bomba

Supongamos ahora que se estrangula parcialmente la vlvula de salida o una vlvula cualquiera del sistema. En ese caso la curva de carga del sistema variar como se indica con la lnea de segmentos. Se obtiene as mayor altura de elevacin de la bomba, pero menor gasto.

Operacin en serie y en paralelo

En muchas instalaciones las bombas deben trabajar en serie y en paralelo. A continuacin veremos como se combinan las curvas caractersticas de cada unidad cuando funcionan en conjunto.

a) Bombas en serie

Supongamos dos bombas gemelas en serie, es decir que la impulsin de una bomba llega a aspiracin de la otra. En este caso el gasto que circula por ambas bombas es el mismo y para cada gasto se obtiene el doble de la carga correspondiente a una bomba. La curva Q-H resultante se obtiene duplicando para cada gasto la carga correspondiente Q1A=AB.

Si la curva de carga del sistema es la indicada con lnea de segmentos, podemos observar que el gasto que se obtiene con las dos bombas es inferior al doble de que se obtiene con una sola 0-2 < 2(0-1).

Del mismo modo la altura correspondiente a las dos bombas es inferior del doble de la correspondiente a una sola 2-4 < 2(1-3).

El rendimiento se obtiene para cada Q de la curva correspondiente a una bomba. En efecto la potencia es para una bomba. Para dos ser 2 o sea siendo H la altura que corresponde a cada bomba en serie.

La curva de potencia se obtiene para cada gasto, sumando las potencias de ambas bombas.

La puesta en serie de dos bombas de distintas caractersticas es posible, pero ofrece dificultades. Se debe instalar la de mayor capacidad como primera etapa, ya que si no fuera as podra faltar alimentacin a la bomba ms potente.

b) Bombas en paralelo

El caso de bombas en paralelo se presenta frecuentemente en la prctica. Las elevadoras se proyectan generalmente con dos o ms unidades que pueden funcionar en paralelo. Las curvas resultantes se transforma como sigue:

Q-H. Para construir la curva resultante para 2 bombas gemelas en paralelo, se suman los gastos para cada carga. O sea la curva parte del mismo punto en el eje de la H y se verifica que 1-2 = 2-3.

Al combinarla con la curva de carga del sistema, como la de segmentos, se puede ver que el gasto que dan las bombas gemelas en paralelo es inferior al doble del que da una sola:

0-B