La bomba es un transformador de energía al igual que otros equipos como los ventiladores y los compresores, reciben energía mecánica y la convierten en energía que un fluido adquiere en forma de presión, de altura o de velocidad. Existen varios tipos de bombas, en general se dividen en: desplazamiento positivo y centrifugas, siendo esta última las de objeto de estudio en la experiencia, tales dispositivos operan de la siguiente manera: el fluido entra cerca del eje rotatorio y es enviado a la periferia mediante la acción centrifuga acumulando sobre el fluido energía cinética , al dejar el impulsor y entrar en la voluta , el mismo es desacelerado y la energía acumulada se transforma en presión por el balance existente.
El impulsor es el corazón de la bomba centrífuga. Consiste de un número de aletas curvas u hojas en la cual hay varios tipos de impulsores:
Impulsor cerrado de succión sencilla y paletas rectas, la superficie de las aletas están generadas por líneas rectas paralelas a los ejes de rotación.
Impulsor de doble succión, el cual consiste de dos impulsores de succión sencilla Las bombas centrífugas se usan ampliamente en los procesos industriales debido a la simplicidad de su diseño, bajo costo y mantenimiento y multiplicidad de funcionabilidad. El diseño de una bomba se representa mediante sus curvas características, usualmente son de cabezal, y eficiencia.
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS
Una bomba centrífuga generalmente opera a velocidad constante y la capacidad depende solamente de la presión total de descarga, diseño y las condiciones de succión. La mejor manera de describir las características operación de una bomba centrífuga es usando una curva característica, en la cual se representa generalmente el cabezal disponible de la bomba, su eficiencia y la potencia consumida por la misma (potencia al freno) todo esto como una variación del caudal de operación de la misma o del sistema.
La carga desarrollada por una bomba real es considerablemente menor que la desarrollada por una bomba ideal. Por otra parte, el rendimiento es menor que la unidad y el consumo de potencia es mayor que el valor ideal.
Una de las aplicaciones más comunes de las bombas centrífugas es la siguiente, se instala en la conducción y se le suministra la energía necesaria para succionar líquido de un tanque de almacenamiento, y descargarlo con una velocidad volumétrica de flujo constante a través de la salida de la conducción, situada a Zb, metros sobre el nivel del líquido del tanque. El fluido entra a la bomba por una toma de succión situada en el punto a y sale en el punto b, situado en la tubería de descarga.
MÉTODO DE SUMINISTRO DE ENERGÍA EN BOMBAS
El suministro de la energía a los fluidos mediante una bomba se hace mayormente siguiendo los siguientes métodos:
Desplazamiento positivo: Se descarga una cantidad definida de fluido por cada carrera o revolución del aparato, las rpm son variables.
Acción centrífuga: Se entrega un volumen que depende de la presión de descarga o la energía
CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS
La mayoría de las bombas se pueden incluir en alguno de los tres grupos siguientes:
i) Reciprocantes
ii) Rotatorias
iii) Centrífugas
Los dos primeros grupos pertenecen a la categoría de desplazamiento positivo. Ahora se ampliará la información acerca de cada uno de estos grupos.
i) Reciprocantes
Su característica básica es el movimiento ida y vuelta de un pistón en un cilindro. El volumen bombeado es función del volumen barrido por la carrera del pistón y del número de carreras del pistón por unidad de tiempo.
a) Detalles del sistema cilindro-pistón. b) Curva de suministro
Figura 1 . Diagrama de una bomba reciprócante simple de acción sencilla.
ii) Rotatorias
Hay una variedad de bombas rotatorias de desplazamiento positivo, todas las cuales
operan básicamente bajo el mismo principio. Si crea una presión reducida debida a la rotación de los elementos de la bomba, permitiendo así que la presión externa obligue al fluido a entrar a la
bomba. El mismo es atrapado entre los elementos y la cámara,y forzado a salir hacía la descarga de la bomba.
de una cámara, tal como se muestra en la figura. El fluido entra a la bomba cerca del centro del impulsor rotatorio y es enviado hacia la periferia mediante acción centrífuga. La energía cinética del fluido aumenta desde el centro del impulsor hasta el extremo de las paletas del mismo. Al dejar el impulsor y entrar a la voluta, el fluido es desacelerado, aumentando su presión a expensas de la energía cinética.
CABEZAL DE UNA BOMBA
El cabezal de una bomba,que se designa también como cabezal total,carga, columna o altura, se define como la diferencia de cabezal entre la descarga y la succión de la misma, luego cómo lo usual en una bomba es que la diferencia de altura entre la succión y la descarga sea despreciable, y que las diferencias de diámetros también lo sean, la expresión del cabezal total se simplifica, quedando:
Aplicando un Bernoulli detalladamente al volumen
de control se obtiene y considerando: Vi = Vf (Fluido incompresible)
ΔZ = Zf – Zi = 0 (en comparación con ΔP/γ)
γi=γf
( I ) (M. Silva, 2003) Figura 3. Detalles de una bomba centrifuga.
Donde:
Hdisp: Cabezal de energía disponible de la bomba (m). Pf : Presión en la descarga de la bomba ( Kgf/m2 ). Pi: Presión en la succión de la bomba ( Kgf/m2 ).
= Peso específico del agua (kgf/m3). EFICIENCIA DE UNA BOMBA
Antes de conocer de que se trata la eficiencia de una bomba es necesario que se conozca algunos parámetros.
POTENCIA SUMINISTRADA A UNA BOMBA
Se refiere a la potencia eléctrica que se le suministra a la bomba para que pueda producir el arranque del motor y poder impulsar luego el fluido, toma en cuenta el voltaje y la intensidad, además de considerar el ángulo de desfasaje entre la intensidad y la corriente alterna. La expresión matemática que rige el comportamiento de estas variables, viene dado por:
( XIV ) (M. Silva, 2003) Donde:
Wi : Potencia i-esima a la entrada de la bomba (W) . nm : Eficiencia del motor (Adim).
Vi : Voltaje para la i-ésima corrida(V).
I i : Intensidad de corriente para la i-ésima corrida (A).
Cosθ : Factor de Potencia (Adim).
El factor de potencia se calcula de la siguiente manera:
(XV) (Clemens, 2000)
PN: Potencia nominal (W). VN : Voltaje nominal (V). IN : Corriente nominal (A).
La eficiencia en una bomba esta definida como la relación que existe entre la energía que entrega la bomba y la energía que consume la misma, esta se encuentra definida por:
( XVI,XV) (M. Silva, 2003)
Donde:
nB = Eficiencia de la bomba (Adim).
disponible para lograr satisfacer determinadas exigencias de suministro. Tal es el caso de colocar varias estaciones de bombeo cuando el fluido se debe enviar a través de largas distancias. Esto será un arreglo de bombas en serie. Cuando lo que se desea son grandes caudales de suministro, como en el caso de embarques en grandes banqueros, se recurre a la instalación de bombas en paralelo. Consideremos estas dos alternativas separadamente, aunque podrían usarse combinaciones serie-paralelo.
CAUDAL, POTENCIA Y EFICIENCIA PARA UN ARREGLO DE DOS BOMBAS EN PARALELO
Para esta situación la capacidad esta limitada por la capacidad menor de las bombas involucradas (si son diferentes) a su velocidad de operación. El cabezal total del sistema. Visto como una sola unidad, es la suma de los cabezales individuales de cada una de las bombas.
Para bombas idénticas, la capacidad es la de una de ellas y el cabezal total de la combinación es la suma de los cabezales individuales. La manera de obtener la curva de operación, también llamada curva de cabezal equivalente, para una combinación en serie, se ilustra en figura:
Figura 5. Curva de operación para arreglos en serie y paralelo de bombas idéntica
De lo anteriormente dicho se infiere:
QT = Q1 = Q2 (M. Silva, 2003)
Donde:
Para el cálculo del cabezal equivalente de un arreglo de bombas en serie se procede de la siguiente manera:
Figura 6. Volumen de control S1-D2
Se toma un volumen de control global donde se incluyan las dos bombas y se procede a calcular el cabezal equivalente (experimental) con la siguiente ecuación:
( XXVII) (M. Silva, 2003)
Donde:
Heq= cabezal de energía equivalente del sistema de bombas en serie (m).
Ps1= Presión en la succión de la bomba 1 ( kgf/m2). Pd2= Presión en la descarga de la bomba 2 ( kgf/m2).
Otra forma de calcular ese cabezal equivalente (analítico) es realizando balance de energía a cada bomba como si fuesen un volumen de control cada una de ellas, con la siguiente ecuación:
(XV) (M. Silva, 2003)
hs1-d2= Pérdidas de energía sólo por tuberías y accesorios en el volumen de control (m).
Hdisp1= Cabezal de energía disponible en la bomba 1 (m).
Hdisp2= Cabezal de energía disponible en la bomba 2 (m).
Una vez que las bombas reciben la energía necesaria para poder colocar el motor en funcionamiento, la misma le entrega al fluido cierta cantidad de la potencia recibida, la cuál siempre es menor que la potencia eléctrica, la ecuación viene dada:
(XXXII) Donde:
Ws= Potencia del sistema de bomba en serie (W).
bombas en serie viene alterada, para ello se deben expresar según las correlaciones que se muestran a continuación:
(XXXI) (Silva, 1994)
Donde:
ns = Eficiencia del sistema conectada en serie (adim).
Qs = Caudal total del sistema en serie ( ).
Ws= Potencia de la bomba(hp).
CAUDAL, POTENCIA Y EFICIENCIA PARA UN ARREGLO DE DOS BOMBAS EN PARALELO En el caso de combinaciones de dos o más bombas en paralelo con curvas características idénticas o diferentes, las capacidades de todas las bombas se suman, al valor de cabezal del sistema,para obtener el caudal total de suministro.
(XXXIII) (SILVA, 1995)
Donde:
Qr1= Caudal en el ramal 1(m3/s). QR2 = Caudal en el ramal 2 (m3/s). Qt = Caudal del sistema (m3/s).
Cada bomba no tiene porque suministrar el mismo caudal, sino que opera en el punto correspondiente a su curva característica al cabezal requerido, el cual será el mismo para cada bomba. Este cabezal se mide entre los puntos de intersección de las tuberías de succión y
descarga, tomando como despreciables el largo de dichas tuberías. La forma de obtener la curva de operación para una combinación en paralelo se ilustra en la Figura anterior.
Las curvas de cabezal para cada una de las bombas debe ser del tipo que aumenta continuamente con la disminución del caudal, como la mostrada en la Figura anterior. De otra manera, con curvas con descensos o lazos se pueden dar dos condiciones de flujo para el mismo valor del cabezal, y las bombas operarían con un suministro oscilatorio de caudal, sin manera de que se estabilice.
Se hace un balance de energía en cada ramal del sistema, es decir, bomba por bomba desde PS hasta PD, obteniéndose la siguiente ecuación:
Hequiv= Hdispp2-(hr2) =Hdispp1-(hr1) ( XXXVIII) (M. Silva, 2003)
Donde:
Hequv= Cabezal de energía equivalente del sistema de bombas en paralelo (m).
Hdispp1= Cabezal de energía disponible en la bomba 1 conectada en paralelo (m).
Hdispp2= Cabezal de energía disponible en la bomba 2 conectada en paralelo (m).
hr1= Pérdidas por tuberías y accesorios en el ramal 1 (m).
hr2 = Pérdidas por tuberías y accesorios en el ramal 2 (m) .
Otra forma es realizando un balance al volumen de control global, de esta forma se calcularía el cabezal equivalente (Experimental), mediante la siguiente ecuación:
( XXXVI) (M. Silva, 2003)
Donde:
Ppd =Presión en la descarga del sistema de bombas en paralelo (kgf/m3).
Pps = Presión en la succión del sistema de bombas conectadas en paralelo (kgf/m3).
DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE OPERACIÓN DE UNA BOMBA
El punto de operación de una bomba identifica aquel punto de la curva del cabezal de la bomba en función de la capacidad, donde la bomba opera en un sistema de flujo dado. Este punto se puede hallar resolviendo simultáneamente la ecuación del cabezal disponible por la bomba (información que es suministrada por el fabricante o proveedor de la bomba): esto es,
Hdisp= f (Q)
Figura 8. Volumen de control i-f
Aplicando un Bernoulli de identificado a f en el Volumen de control y considerando:
Pi = Pf = Presión atmosférica.
Vf = vi
Se obtiene:
(M. Silva, 2003)
Donde:
Hreq = Cabezal requerido del sistema (m).
