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Principios fundamentales

de la tecnología de las

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Í N D I C E

Reservado el derecho a modificaciones WILO SE

Principios fundamentales de la tecnología de las bombas 5

Historia de la tecnología de las bombas 7

Suministro de agua 7

Eliminación de aguas residuales 8

Tecnología de calefacción 9

Sistemas de transporte 12

Sistema abierto de transporte de agua 12

Sistema cerrado de calefacción 13

El agua - nuestro medio de transporte 15

Capacidad calorífica específica 15

Aumento y disminución del volumen 16 Características de ebullición del agua 17 Expansión del agua de calefacción y protección contra sobrepresión 18

Presión 19

Cavitación 19

Diseño de bombas centrífugas 21

Bombas autoaspirantes y bombas con aspiración normal 21 Función de las bombas centrífugas 22

Rodetes 22

Rendimiento 23

Potencia absorbida de las bombas 24

Bombas de rotor húmedo 25

Bombas de rotor seco 27

Bombas centrífugas de alta presión 29

Curvas características 31

Curvas características de las bombas 31 Curvas características de las instalaciones 32

Punto de trabajo 33

Adaptación de las bombas a la demanda de calor 35

Cambios meteorológicos 35

Conmutación de la velocidad de las bombas 36 Regulación continua de la velocidad 36

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C O N T E N T

Dimensionado aproximado de bombas de calefacción estándar 41

Caudal suministrado por la bomba 41

Altura de presión de la bomba 41

Ejemplo de aplicación 42

Consecuencias del dimensionado aproximado de bombas 43 Software de planificación de bombas 43 La hidráulica de principio a fin 45 Ajuste de bombas de circulación con regulación electrónica 45

Agrupamiento de varias bombas 46

Conclusiones 50

¿Sabía que ...? 51

Historia de la tecnología de las bombas 51 El agua - nuestro medio de transporte 52

Características de construcción 53

Curvas características 54

Adaptación de bombas a la demanda de calor 55 Dimensionado aproximado de bombas 56

Conexión de varias bombas 57

Unidades legales de medida, extracto para bombas centrífugas 58

Material de información 59

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Las bombas tienen un papel importante en el campo de la construcción. Se emplean para diver-sas funciones. Las bombas más conocidas son las circuladoras para instalaciones de calefacción, por este motivo serán el centro de atención en las siguientes páginas.

Se emplean además en las áreas de suministro de agua y de eliminación de aguas re-siduales: • En grupos de presión, usados cuando la presión

de la red de abastecimiento urbana es insufi-ciente para la distribución de agua en un edifi-cio;

• Bombas circuladoras de agua potable que garantizan que haya siempre disponible agua caliente y fría en cada grifo;

• Bombas de elevación de aguas residuales cuando estas se encuentran debajo del nivel de salida natural;

• Bombas en fuentes o acuarios; • Bombas para la extinción de incendios;

• Bombas de agua fría y de agua de refri-geración;

• Instalaciones de aprovechamiento de agua de lluvia para lavabos, lavadoras, trabajos de limpieza, riego y mucho más;

También debe tenerse en cuenta que diferentes medios presentan viscosidades distintas (por ejemplo mezclas de agua con glicol o mezclas con materiales fecales). En los distintos países deben cumplirse las normas y leyes vigentes, por lo que es preciso elegir unas determinadas bom-bas y tecnologías (por ejemplo protección anti-deflagrante, reglamento de agua potable).

Bases de la tecnología de las bombas

Las personas necesitan bombas para poder vivir de forma más cómoda.

Las bombas transportan fluidos, fríos o calientes, limpios o contaminados.

Cumplen su función con la máxima eficiencia y de forma no contaminante.

El contenido de este folleto debe proporcionar unos conocimientos básicos esta tecnología a las personas que se encuentran en procesos de for-mación. Con frases explicativas sencillas, dibujos y ejemplos se pretende transmitir unos conocimientos básicos para la práctica. La selec-ción y aplicaselec-ción correcta de las bombas debe convertirse de esta manera en un tema habitual y cotidiano.

El capítulo titulado ¿Sabías que...? permite al lector comprobar si ha asimilado correctamente la materia explicada mediante preguntas con posibles respuestas correctas y falsas.

Como opción adicional para profundizar en la materia, hemos incluido una selección de mate-rial informativo que sirve como ampliación para los temas tratados en el presente "Abecedario" de las bombas. En dicha selección encontrará material para sus estudios individuales y nuestro programa de seminarios de formación prácticos.

Véase el capítulo "Material de información" en la página 59

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curvados en una rueda. Al girar la rueda el agua se elevaba forzosamente hasta el eje de la misma. La corriente del río servía al mismo

Historia de la tecnología de las bombas

Pensando en las bombas y en su historia, sucede que las personas buscaban ya en épocas remotas medios técnicos para elevar líquidos, en particu-lar el agua, a niveles más altos. El agua servía tanto para el riego de los campos como para llenar los fosos de protección alrededor de ciu-dades fortificadas y castillos.

La herramienta más sencilla para elevar agua era la mano del hombre.

Nuestros antepasados prehistóricos tuvieron muy pronto la idea de moldear cuencos de arcilla. De esta manera dieron el primer paso hacia la invención del cántaro. Varios de estos cántaros se colgaron de una cadena o se fijaron en una rueda. Hombres o animales aplicaron sus fuerzas para poner en movimiento estos mecanismos para elevar agua. Los hallazgos arqueológicos demuestran la existencia de mecanismos de cangilones tanto en Egipto como en China alrededor de 1.000 años a.C. En el siguiente dibujo se muestra una reconstrucción gráfica de una rueda china de cangilones. Se trata de una rueda con cuencos de arcilla fijados en esta que vertían el agua en el punto más alto de la rueda. En el año 1724, Jacob Leupold (1674 - 1727) di-señó una ingeniosa mejora, montó unos tubos

cionamiento de este mecanismo con el de las bombas centrífugas actuales. La curva caracterís-tica de la bomba, que, por supuesto, era un con-cepto desconocido en aquella época, muestra la misma dependencia entre la altura de presión y el

Véase el capítulo "Rodetes", página 22 Tornillo

Accionamiento

Se eleva el agua

Representación de una rueda china de cangilones

Representación del tornillo de Arquímedes Representación del mecanismo de bombeo con tubos de Jacob Leupold

tornillo de Arquímedes que lleva su nombre. Por el giro de una espiral se eleva el agua en un tubo. No obstante, siempre refluía cierta cantidad de agua, ya que no se conocían buenos medios de obturación. De esta manera se observó una relación entre la inclinación del tornillo y el cau-dal de agua bombeada. Fue posible elegir en funcionamiento entre un mayor caudal y una mayor altura de presión.

Cuanto más empinada la posición del tornillo, tanto mayor era la altura a la que se podía elevar el agua a medida que el caudal dismi-nuía.De nuevo nos sorprende la similitud del

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8 Reservado el derecho a modificaciones WILO SE

H I S T O R I A D E L A T E C N O L O G Í A D E L A S B O M B A S

Eliminación de aguas residuales

Mientras que el suministro de agua ha sido siem-pre el tema más importante para la supervivencia del hombre, la eliminación efectiva de aguas residuales llegó más tarde, casi demasiado tarde. En todos los lugares donde aparecían asen-tamientos, pueblos y ciudades, los desechos, excrementos y aguas residuales ensuciaban los prados, caminos y calles.

La consecuencia eran malos olores, enfer-medades y plagas. Las aguas se contaminaban y el agua freática se volvía imbebible.

Los primeros conductos de aguas residuales se construyeron alrededor del 3.000 al 2.000 a.C. Debajo del palacio de Minos en Cnosos (Creta) se encontraron restos de conductos de mam-postería y tubos de terracota que recogían y canalizaban el agua de lluvia y las aguas resi-duales. Los romanos construyeron en sus ciu-dades conductos de aguas residuales debajo de las calles, el conducto más grande y más cono-cido es la Cloaca Máxima de Roma en parte aún bien conservada. Desde allí se conducían las aguas residuales al Tíber (también en Colonia se encuentran restos transitables de conductos subterráneos de la época de los romanos). Debido a que durante siglos no se lograron pro-gresos en el área de la eliminación de aguas residuales, estas llegaron hasta el siglo XIX de forma no purificada a riachuelos, ríos, lagos y mares. Con el progreso de la industrialización y el crecimiento de las ciudades se hizo impres-cindible un tratamiento regulado de las aguas residuales.

El primer sistema de canalización y limpieza se realizó en 1856 en Hamburgo. Hasta los años noventa del siglo pasado, en Alemania existían aún numerosos pozos negros que recogían las materias fecales de las casas. Sólo en base a las disposiciones legales y reglamentos regionales se consiguió una conexión obligatoria a las redes públicas de alcantarillado.

Actualmente, casi todas las casas están conec-tadas a la red de canalización pública. En los lugares en los que no es posible realizar una conexión directa, se emplean sistemas de ele-vación y desagüe por presión.

Las aguas residuales de la industria y de las casas se conducen por redes ampliamente bifurcadas a depósitos colectores, plantas de tratamiento y depósitos de clarificación donde tiene lugar una purificación química o biológica. El agua tratada de esta manera se introduce después de nuevo en el ciclo hidrológico.

En estos procesos se emplean las diversas bombas y sistemas de bombas. Como por ejemplo : •Instalaciones de elevación

•Bombas sumergibles

•Bombas de pozo (con y sin mecanismos de corte)

•Bombas de desagüe

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Representación de una calefacción con hipocaustos de la época romana

Tecnología de calefacción

Calefacción con hipocaustos

En Alemania se encontraron restos de las lla-madas calefacciones con hipocaustos de la época de los romanos. Se trataba de una forma muy antigua de calefacción de suelos. El humo de una hoguera se conducía a través de huecos por debajo de los suelos calentando estos. El humo se evacuaba a través de un conducto de calefacción en una pared.

En los siglos posteriores, particularmente en castillos y fortalezas, las chimeneas, que cubrían las hogueras no se construían de forma comple-tamente vertical. Los gases calientes se con-ducían alrededor de las habitaciones, lo que re-presentaba una primera forma de sistemas de calefacción central. También se encontraron sis-temas con separación mediante cámaras de mampostería en los sótanos. El fuego calentaba el aire fresco y éste era conducido directamente a las habitaciones.

Calefacción por vapor

Con la propagación de la máquina de vapor en la segunda mitad del siglo XVIII apareció la cale-facción por vapor. El vapor no totalmente con-densado, procedente de la máquina de vapor, se conducía por intercambiadores de calor en ofici-nas y viviendas. Otra idea consistió en emplear la energía residual del vapor para poner en marcha

Calefacción por circulación natural con caldera, recipiente de expansión y radiador Pared exterior Conducto de calefacción en la pared Pared interior Suelo Pilares Cámara de combustión Sótano de calefacción

Plano inclinado para evacuación de cenizas

una turbina.

Calefacción por circulación natural

La siguiente etapa de desarrollo fue la calefac-ción por circulacalefac-ción natural. La experiencia demostró que una temperatura del agua de aproximadamente 90º C era suficiente para con-seguir una temperatura ambiente de 20º C, es decir, bastaba con un calentamiento del agua hasta un poco por debajo del punto de ebullición. El agua caliente subía por unos tubos de grandes diámetros. Después de haber perdido parte de su calor, retornaba a la caldera por el efecto de la gravedad.

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-Las diferentes fuerzas gravitatorias originan los movimientos ascendentes y descendentes del agua.

A principios del siglo pasado ya se estudiaban las posibilidades de montar aceleradores de circu-lación en las tuberías de calefacción para evitar el lento arranque del sistema.

En aquella época, los motores eléctricos no eran apropiados para el accionamiento, ya que fun-cionaban inducidos con anillos colectores abier-tos. En un sistema de calefacción con agua, esto hubiera podido originar graves accidentes.

Feed T_V = 90 °C corresponds to G = 9,46 N Return TR = 70 °C corresponds to G = 9,58 N 9,46 N 9,58 N Esquema de una calefacción con circulación natural

En un codo se incorporó un rodete en forma de hélice. El accionamiento se llevaba a cabo a través de un eje obturado, accionado mediante un motor eléctrico. En aquella época, este acel-erador de circulación no se consideraba como bomba. Esta palabra se introdujo sólo más tarde. Tal como se ha mencionado anteriormente, el concepto de bomba estaba asociado con la ele-vación de agua.

Estos aceleradores de circulación se cons-truyeron aproximadamente hasta 1955 y permi-tieron reducir cada vez más la temperatura del agua de calefacción.

Actualmente existen numerosos sistemas de calefacción, los más modernos trabajan con temperaturas de agua muy bajas. Esta técnica de calefacción sería impensable sin el corazón de la instalación de calefacción, es decir, sin la bomba de recirculación.

La primera bomba de circulación para calefac-ciones

Sólo la invención del primer motor eléctrico encapsulado por el ingeniero alemán Gottlieb Bauknecht facilitó su empleo en un acele-rador de circulación. Su amigo, el ingeniero Wilhelm Opländer, desarrolló un tipo de

construcción patentado en 1929.

Primera bomba de recirculación, año de construcción 1929, HP, tipo DN 67/0,25 kW Alimentación Corresponde a Corresponde a Retorno

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H I S T O R I A D E L A T E C N O L O G I A D E L A S B O M B A S

Edad Media, hasta aprox. 1519 d.C.

Calefacción con dos tubos

Imperio romano, hasta aprox. 465 d.C. Revolución industrial, siglo XIX Actualmente, siglo XX

Calefacción por radiación en el techo o en la pared

Al principio, era el fuego

Calefacción romana con hipocausto

Calefacción con estufa Calefacción de agua

caliente con circulación natural

Acelerador de circulación de Wilhelm Opländer, 1929

Calefacción con tubo único

Calefacción con chimenea

Calefacción con aire caliente en residencias señoriales

Calefacción a vapor Calefacción del suelo Evolución de los sitemas de calefacción

Sistema Tichelmann Calefacción con circulación de

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Sistemas de transporte de agua

Inlet

Inlet tank

Higher level tank Ascending line

geodetic delivery head

Pump Float valve

Float valve

Instalación de bombas para la elevación de agua a un nivel más alto

Sistema abierto de transporte de

agua

Sistema abierto de transporte de agua En la ilustración esquemática a la izquierda se

muestran los componentes de un sistema de bombeo que debe transportar un líquido de un recipiente de entrada a menor altura a un depósito que se encuentra a mayor altura. La bomba transporta el agua del depósito inferior a la altura requerida.

Pero no es suficiente dimensionar la capacidad de la bomba sólo conforme a la altura de ele-vación geodésica. En el último punto de cone-xión, por ejemplo una ducha en el piso más alto de un hotel, debe haber aún una presión sufi-ciente. También hay que tener en cuenta las pér-didas de presión originadas por fricción en la tubería ascendente.

Altura de presión de la bomba = altura de presión geodésica + presión a la corriente máxima + pér-didas en la tubería

Para la realización de los trabajos de mante-nimiento necesarios debe ser posible cerrar las distintas secciones de la tubería mediante válvu-las. Esto es útil en particular para las bombas, ya que en caso contrario deberían evacuarse grandes cantidades de agua de las tuberías para poder sustituir o reparar una bomba.

Además, tanto en el depósito de entrada inferior como en el depósito elevado deben preverse válvulas de flotador para evitar un posible des-bordamiento de estos depósitos.

También se puede instalar un presostato en un lugar apropiado de la tubería que desconecte la bomba cuando no haya consumo de agua y todos los puntos de conexión estén cerrados.

Véase el capítulo

"Adaptación de bombas a la demanda de calor", página 35

Bomba Tubería de impulsión Altura de presión geodésica

Entrada

Válvula flotador

Depósito de entrada

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S I S T E M A S D E B O M B E O

Sistema de calefacción cerrado

Sistema de circulación tomando como ejemplo una instalación de calefacción Feed Pump _Return Ventilation Heat consumer Control equipment

Diaphragm expansion tank

Sistema cerrado de calefacción

En la ilustración a la derecha se muestran las diferencias de funcionamiento entre un sistema de calefacción y un sistema de bombeo de agua. Mientras que un sistema de bombeo de agua es un sistema abierto con una salida de agua libre (por ejemplo un punto de toma con un grifo), una instalación de calefacción es un sistema cerrado. El principio de funcionamiento se comprende más fácilmente cuando uno se imagina que el agua de calefacción se mantiene simplemente en movimiento en las tuberías.

Un sistema de calefacción esta formado por los siguientes componentes:

• Generador de calor

• Sistema de transporte y distribución del calor • Vaso de expansión de membrana para

man-tener y regular la presión • Consumidores de calor • Dispositivo de regulación • Válvula de seguridad

Como generadores de calor podemos citar las calderas de gas, gasóleo o combustibles sólidos, así como calentadores de agua por circulación. Esto también incluye calefacciones eléctricas con acumulación de calor y calentamiento cen-tral del agua, estaciones de transmisión de calor a distancia y bombas de calor.

El sistema de transporte y distribución de calor está formado por todas las tuberías, estaciones distribuidoras y colectoras y, naturalmente, la bomba de recirculación. La potencia de la bomba debe dimensionarse únicamente para vencer las pérdidas de carga totales de la instalación. No se tiene en cuenta la altura del edificio, ya que el agua suministrada por la bomba a la tubería de sa-lida vuelve a la caldera a través de la tubería de retorno.

El vaso de expansión de membrana tiene la fun-ción de compensar las variaciones de volumen del agua en el sistema de calefacción, depen-diendo de las temperaturas de funcionamiento, mientras mantiene una presión estable.

Los consumidores de calor son las superficies de calefacción en los lugares y habitaciones a calentar (radiadores, convectores, paneles radi-antes, etc.). La energía térmica fluye de las zonas con una temperatura más alta a zonas con una temperatura más baja y el flujo de calor es tanto más rápido cuanto mayor es la diferencia de la temperatura. Esta transmisión de calor tiene lugar mediante tres procesos físicos distintos: • Conducción de calor

• Convección, es decir, movimiento ascendente del aire

• Radiación térmica

Hoy en día, ningún problema técnico se puede resolver sin un buen sistema de control. Por lo tanto, se sobreentiende que en cada instalación de calefacción hay también dispositivos de regu-lación. Los dispositivos más sencillos de este tipo son las válvulas termostáticas para mantener constante la temperatura ambiente, por ejemplo en una habitación. Pero también en calderas, mezcladoras y naturalmente en bombas hay actualmente reguladores mecánicos, eléctricos y electrónicos muy sofisticados.

Véase el capítulo

"Dimensionado aproximado de bombas para instala-ciones de calefacción están-dar", página 41

Recuerde:

No se tiene en cuenta la altura del edificio, ya que el agua suministrada por la bomba a la tubería de sal-ida vuelve a la caldera a través de la tubería de retorno.

Vaso de expansión de membrana

Bomba _Retorno Consumidores de calor Purga de aire Dispositivo de regulación Alimentación

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El agua - nuestro medio de transporte

En los sistemas de calefacción central con agua caliente se emplea el agua para

transportar el calor desde el generador de calor al consumidor.

Las características más importantes del agua son:

• Capacidad calorífica específica

• Aumento del volumen tanto durante el calen-tamiento como durante el enfriamiento • Disminución de la densidad durante el aumento

y disminución de volumen

• Características de ebullición bajo presión externa

• Empuje hidrostático

Estas características físicas se describen a continuación..

Una característica importante de cada medio portador de calor es su capacidad de acumu-lación térmica. Cuando esta capacidad se rela-ciona con la masa de la sustancia y la diferencia de temperatura, la magnitud resultante es la capacidad calorífica específica.

Esta magnitud se simboliza con c y la unidad de medida es kJ/ (kg o K).

La capacidad calorífica específica del fluido es la cantidad de calor requerida para calentar 1kg de una sustancia (por ejemplo agua) en 1ºC. De forma inversa, la sustancia emite durante su enfriamiento la misma cantidad de energía. El promedio de la capacidad calorífica específica del agua entre 0ºC y 100ºC es:

c = 4.19 kJ/(kg • K) or c = 1.16 Wh/(kg • K)

La cantidad de calor Q suministrada o emitida se mide en J o kJ y es el producto de la masa m medida en kg, la capacidad calorífica específica c y la diferencia de la temperatura medida en K.

Esta diferencia es en nuestro caso la diferencia de temperatura entre la salida y el retorno de un sistema de calefacción. La ecuación es la si-guiente:

Q = m • c • ³ q m = V • r

V = volumen de agua en m3

r = Densidad kg/m3

La masa m es el volumen V de agua en m3

multi-plicado con la densidad del agua medida en kg/m3_{. La ecuación puede escribirse también de}

la siguiente manera: Q = V • r • c (qV- qR)

La densidad del agua varía con la temperatura. Para el cálculo de la energía puede suponerse de manera simplificada = 1 kg/dm3 _para

tempera-turas entre 4ºC y 90ºC.

Los conceptos físicos de energía, trabajo y canti-dad de calor tienen la misma dimensión y son equivalentes.

Recuerde:

La capacidad calorífica específica del agua es la can-tidad de calor requerida para calentar 1kg de la sustancia (por ejemplo agua) en 1ºC. De forma inversa, la sustancia emite durante su enfria-miento la misma cantidad de energía.

Capacidad calorífica específica

q = Theta r = Rho

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E L A G U A - N U E S T R O M E D I O D E T R A N S P O R T E

Para la transformación de Joule en otras unidades físicas se encuentra en vigor:

1J = 1 Nm = 1 Ws or 1 MJ = 0.278 kWh

Todas las sustancias se dilatan durante el calen-tamiento y se contraen durante el enfriamiento. La única sustancia con un comportamiento dis-tinto es el agua. Esta característica particular se llama anomalía del agua.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1,0016 1,0012 1,0008 1,0004 1,0000 T [C°] V olume of 1 g w ater [ml]

Variación del volumen de agua durante el calentamiento y enfriamiento

Densidad más alta a 4ºC:

rmax= 1000 kg/m3

Durante el calentamiento o enfriamiento del agua dismi-nuye su densidad, es decir, su volumen aumenta

Cambio en volumen de agua

Aumento y disminución del

volumen

El agua se expande también al refrigerarla a una temperatura inferior a 4ºC. Esta anomalía del agua es la causa de que los ríos y lagos se hielen en invierno desde la superficie. La capa de hielo flota en el agua y sólo por este motivo puede fundirse bajo el sol de primavera. Esto no sería el caso si el hielo tuviera un peso específico mayor y descendiera al fondo.

Pero este comportamiento de expansión abarca también peligros. Por ejemplo, los motores de coches o las tuberías de agua revientan cuando el agua se hiela. Para evitarlo se añade un anti-congelante al agua. En los sistemas de calefac-ción se emplean por ejemplo glicoles; las propor-ciones se pueden consultar en las instrucpropor-ciones de los fabricantes.

El agua tiene la mayor densidad a una temperatura de +4ºC: 1 dm3_{= 1 l = 1 kg}

Cuando el agua se calienta o se enfría desde este punto, su volumen aumenta, es decir, su densi-dad o peso específico disminuye.

Esto puede observarse bien en un depósito con rebosadero para medir la cantidad.

En el recipiente se encuentran exactamente 1.000 cm3_{de agua a una temperatura de +4ºC.}

Cuando el agua se calienta, una parte de la misma sale a través del rebosadero al recipiente graduado. Cuando el agua alcanza los 90ºC, en el recipiente graduado se encuentran exactamente 35,95 cm3 o 34,7 g de agua. 10 cm 4°C 90°C 10 cm _{1000 cm}3_{= 1 l} _{1000 cm}3_{= 1 l} Un cubo de agua de 1.000 cm3 pesa a 4ºC 1.000 g 1000 cm3 _{de agua a} 90°C = 965.3 g Cantidad rebosada 35.95 cm3_{= 34.7 g} V o lumen de agua de 1 g [1 ml]

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Las características de ebullición

del agua

Cuando el agua se calienta por encima de 90ºC, empieza a hervir a 100ºC en un reci-piente abierto. Cuando la temperatura del agua se mide durante el proceso de ebullición, la temperatura se mantiene constante a 100ºC hasta que el agua se evapora completamente. El suministro con-tinuo de calor se usa por lo tanto para la evapo-ración completa del agua, es decir, para cambiar su estado físico. Esta energía se denomina tam-bién calor latente (oculto). Cuando el calen-tamiento continúa, la temperatura aumenta de nuevo.

El requisito para el desarrollo explicado anterior-mente es una presión atmosférica normal (NN) de 1.013 hPa sobre el nivel del agua. Cada presión atmosférica diferente de este valor origina modifi-caciones en el punto de ebullición de 100ºC. Una repetición del experimento anterior a una altitud de 3.000 m, por ejemplo en la Veleta, demuestra que el agua hierve a una tempe-ratura de 90ºC. La causa de este compor-tamiento es la disminución de la presión atmos-férica con el aumento de la altitud.

Cuanto más baja es la presión del aire en la superficie del agua, más baja es la temperatura de ebullición. Mediante el aumento de la presión sobre el nivel del agua se consigue, por otro lado, un aumento de la temperatura de ebullición. Este principio se emplea por ejemplo en las ollas rápi-das.

En la representación gráfica que podemos ver al lado, se puede ver cómo varía la temperatura de ebullición del agua en función de la presión. Los sistemas de calefacción están presurizados. Por este motivo no se forman burbujas de vapor en estados de servicio críticos. De esta manera se evita también la entrada de aire desde el exterior al sistema de calefacción. 1,013 T [C°] 0 2 3 4 5 6 [1000 hPa] pressure 150 50 0 100 100 heat volume T [C°]

Modificación del estado físico del agua durante un aumento de la temperatura

Punto de ebullición del agua en función de la presión sólido sólido y líquido líquido líquido y vapor

Transición de calor (calor latente)

vapor

Volumen de calor

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Feed Return Ventilation Heat consumer Control equipment

Diaphragm expansion tank Pump

90°C

34.7 G

En las consideraciones anteriores no se ha tenido en cuenta que la bomba de circulación aumenta aún más la presión.

En la planificación de una instalación, hay que tener en cuenta cuidadosamente la interacción de la temperatura máxima del agua de calefac-ción, el tipo de bomba empleado, el tamaño del vaso de expansión con membrana y el punto de activación de la válvula de seguridad. Una elec-ción casual de los componentes de la instalaelec-ción, teniendo en cuenta eventualmente el precio de los mismos, es completamente inaceptable. El vaso de expansión se suministra de fábrica lleno de nitrógeno. La presión en este vaso de expansión debe adaptarse a las peculiaridades de la instalación de calefacción. El agua de expan-sión entra desde el sistema de calefacción en el vaso de expansión y comprime el volumen de gas que se encuentra encima de la membrana. Es posible comprimir los gases, pero no los líquidos. Compensación de la variación del volumen de agua en una instalación de calefacción:

Representación de un sistema de calefacción con válvula de seguridad integrada

Las calefacciones de agua caliente se usan con temperaturas de salida de hasta 90ºC. El agua se llena normalmente con una temperatura de 15ºC y se expande durante el calentamiento. Este aumento del volumen no debe provocar una sobrepresión o una pérdida de agua.

DET inlet pressure 1.0/1.5 bar KFE KV (1) DET condition at installation Nitro-gen

Water reserveDET inlet pressure +0.5 bar

KFE KV

(2) System filled /cold

Nitro-gen

(3) System at max. feed temperature

Water quantity = water reserve + expansion

KFE KV

Expansión del agua de calefacción y protección contra sobrepresión

1000 cm3_{= 1 l}

Cuando la calefacción se desconecta en ve-rano, el agua adopta nuevamente su volumen anterior. Por este motivo es preciso prever un vaso de expansión con un volumen suficiente. En instala-ciones de calefacción más antiguas se montaron vasos de expansión abiertos. Los vasos de expansión se encuentran siempre por encima de la sección de tubería más alta. Con el aumento de la temperatura de la calefacción, es decir, durante la expansión del agua, el nivel de agua crece en este vaso de expansión. El nivel desciende de nuevo cuando el agua se enfría. En instalaciones de calefacción modernas se emplean vasos de expansión de membrana. Con una presión más alta en la instalación debe estar garantizado que no se produzcan cargas de presión inadmisibles en las tuberías y en otros componentes de la instalación. Por este motivo es obligatorio equipar el sistema de calefacción con una válvula de seguridad.

La válvula de seguridad debe abrirse con sobrepresión para expulsar el agua sobrante que no cabe en el vaso de expansión con membrana. No obstante, en una instalación cuidadosamente planificada no debería producirse este estado de funcionamiento.

Recuerde:

La válvula de seguridad debe abrirse cuando hay una sobrepresión para expulsar el agua de expansión sobrante.

Consumidores de calor Purga de aire Dispositivo de regulación Alimentación Retorno

Vaso de expansión de membrana Bomba

(1) Estado de montaje del vaso de expansión de membrana

Presión previa en el vaso de expansión de membrana 1,0 / 1,5 bar

Reserva de agua, presión previa en el vaso de expansión con membrana 0,5 bar (2) Instalación llena, agua fría

((3) Instalación con la temperatura

Cantidad de agua = reserva de agua + expansión

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Presión

Definición de la presión

La presión es la presión estática medida en relación con la atmósfera que ejercen sustancias gaseosas y líquidas en recipientes de presión o tuberías (Pa, mbar, bar).

Presión en reposo

Presión estática a caudal cero. Presión de reposo = altura de llenado encima del punto de

medición + presión previa en el vaso de expan-sión de membrana.

Presión de flujo

Presión dinámica cuando un fluido está circulando. Presión de caudal= presión dinámica -caída de presión.

Presión de la bomba

Presión generada en servicio en el lado de impul-sión de la bomba centrífuga. En función de las características de una instalación, este valor puede ser distinto de la presión diferencial.

Presión diferencial

Presión generada por la bomba centrífuga para vencer la suma de todas las pérdidas de carga en una instalación. Se mide entre los lados de aspiración y de impulsión de la bomba cen-trífuga. Debido a la caída de la presión por motivo de las pérdidas en las tuberías, en las válvulas de la caldera y en los consumidores, en cada punto de la instalación existe una presión distinta cuando está en servicio.

Cavitación

Se denomina cavitación la implosión de burbujas de vapor (huecos) formadas en la entrada al rodete como consecuencia de un vacío parcial local por debajo de la presión de evaporación del líquido a transportar. La cavitación origina pérdi-das de potencia (altura de presión), ruidos, reducción del rendimiento y daños materiales (en el interior de la bomba).

Las explosiones microscópicas originan golpes de presión por la expansión e implosión de pequeñas burbujas de aire en zonas de presión más alta (por ejemplo en la salida del rodete) que pueden tener como consecuencia daños en los equipos hidráulicos o incluso la destrucción de los mismos. Las primeras señales son ruidos o daños en la entrada al rodete.

Una magnitud importante para una bomba cen-trífuga es el valor NPSH (Net Positive Suction

En el valor NPSH influyen la forma del rodete y la velocidad de la bomba, así como la temperatura del medio, la altura de la columna de agua y la presión atmosférica.

Evitar cavitaciones

Para evitar cavitaciones es preciso suministrar el líquido a la bomba con una determinada altura mínima de la columna de agua en la entrada. Esta altura mínima depende de la temperatura y de la presión del líquido.

Otras posibilidades para evitar cavitaciones: • Aumento de la presión estática

• Disminución de la temperatura del medio (reducción de la presión de vapor)

• Elección de una bomba con baja altura de pre-sión de entrada (altura mínima de la columna de agua en la entrada, NPSH)

Sobrepresión en servicio

Vacío parcial en servicio

Presión de caudal (presión dinámica) Presión de caudal (presión dinámica) Presión en reposo (presión estática) Presión 1013 hPa (normal)

En instalaciones de calefacción En la atmósfera

Erosión, ruidos, roturas Presión diferencial positiva Cavitación, ruidos, marcha dificultosa

Punto de cero absoluto Presión diferencial negativa (+) Sobrepresión (-) vacío parcial (presión de as-piración))

Presión en la instalación, establecimiento de la presión

Presión en servicio

Presión que existe o puede formarse cuando una instalación está en servicio de forma completa o parcial

Presión en servicio admisible

Valor máximo de la presión en servicio estable-cido por motivos de seguridad.

(20)

(21)

Diseño de bombas centrífugas

En el área de la calefacción y climatización se usan bombas centrífugas

para muchas aplicaciones. Se diferencian según su tipo de diseño y el

modo de transformación de la energía.

Bombas autoaspirantes y bombas con aspiración normal

Una bomba autoaspirante tiene una capacidad limitada de purga del aire de la tubería de aspiración. Puede ser necesario llenar la bomba varias veces durante su puesta en marcha. La altura de aspiración máxima teórica es de 10,33 m y depende de la presión atmosférica (1.013 hPa = presión normal).

Por motivos técnicos se consigue sólo una altura de aspiración hs máxima de 7 a 8 m. Este valor incluye no sólo la diferencia de altura entre el nivel de agua más bajo hasta la boca de aspiración de la bomba, sino también las pérdi-das por resistencias en las tuberías de conexión, en la bomba y en las válvulas.

En el dimensionado de la bomba debe tenerse en cuenta que la altura de aspiración hs debe incor-porarse con un signo negativo en la altura de presión.

La tubería de aspiración debe instalarse, por lo menos, con el diámetro nominal de la entrada de la bomba y, siempre que sea posible, con un diámetro nominal mayor. Además, la tubería de aspiración debe ser lo más corta posible.

En una tubería de aspiración larga aumentan las resistencias de fricción que influyen de manera muy desfavorable en la altura de aspiración. El tendido de la tubería de aspiración debe tener una subida continua hacia la bomba. Cuando se emplean mangueras flexibles como tubería de aspiración, estas deberían ser mangueras de aspiración con refuerzo espiral (estanqueidad y resistencia). En cualquier caso deben evitarse fallos de estanqueidad, ya que de otro modo pueden producirse daños en las bombas y fallos en el servicio.

En el modo de funcionamiento de aspiración se recomienda prever siempre una válvula de pie para evitar un vaciado de la tubería de aspiración y de la bomba. Una válvula de pie con un cesto de aspiración protege la bomba y los sistemas aguas

hs

Foot valve

Non-return flap / valve

Altura de aspiración hs de una bomba

Instalación de la tubería de aspiración

Servicio de aspiración

Instalación con válvula de pie o válvula de retención

correct incorrect

En bombas con aspiración normal, las tuberías de aspiración y la bomba deben estar siempre com-pletamente llenas. Cuando a causa de fugas, por ejemplo en la junta de la válvula corredera o en la válvula de pie de la tubería de aspiración llega

Nivel mínimo de agua

correcto incorrecto

Válvula de pie

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Función de las bombas

centrífugas

Las bombas se necesitan para transportar líqui-dos y vencer las pérdidas de carga en el

sistema de tuberías. En instalaciones de bombas con niveles de líquido diferentes es preciso superar además la diferencia de altura geodésica. Las bombas centrífugas son, según su tipo de construcción y transformación de energía, tur-bomáquinas hidráulicas. Aunque existen numerosos tipos de construcción, todas las bombas centrífugas tienen en común una entrada axial del líquido al rodete de la bomba. Un motor eléctrico acciona el eje de la bomba en el cual está montado el rodete. El agua que entra axialmente en el rodete a través de la boca de aspiración y el cuello de aspiración se desvía mediante las paletas del rodete en dirección radial. Las fuerzas centrífugas, que actúan en cada partícula de líquido, originan durante el paso del líquido por la zona de las paletas un aumento de la presión y de la velocidad.

Después de la salida del rodete, el líquido se acu-mula en la caja espiral. Debido al tipo de con-strucción de la caja espiral, la velocidad del flujo se reduce de nuevo ligeramente. La transforma-ción de la energía se refleja en un aumento de la presión.

Una bomba está compuesta por los siguientes componentes principales:

• Carcasa de la bomba • Motor

• Rodete

D I S E Ñ O D E B O M B A S C E N T R Í F U G A S

Tipos de rodete

Axial impeller Semi-axial impeller

Radial impeller Radial impeller 3D

Vista en corte de una bomba con rotor tipo húmedo

El medio a transportar entra axialmente en el rodete y se desvía en dirección radial

Rodetes

Se diferencia entre rodetes abiertos y cerrados que, además, se clasifican según sus formas de construcción.

Actualmente, los rodetes de la mayoría de las bombas son del tipo 3D que combinan las venta-jas de un rodete axial y de un rodete radial.

Carcasa de la bomba

Rodete 3D

(23)

Rendimiento de las bombas

El rendimiento de cada máquina es la relación entre la potencia de salida y la potencia absorbida. Esta relación se señala con la letra griega (eta).

Debido a que no existen accionamientos libres de pérdidas, el valor de es siempre inferior a 1 (100%). En una bomba circuladora de calefac-ción, el rendimiento total se compone del rendimiento del motor M (eléctrico y mecánico) y del rendimiento hidráulico P. De la multipli-cación de estos valores se obtiene el rendimiento total total.

tot= M• P

El rendimiento varía considerablemente en fun-ción de los distintos tipos de construcfun-ción y del tamaño de las bombas. Para bombas de rotor húmedo se obtiene un rendimiento total entre un 5% y un 54% (bombas muy eficientes), para bombas de rotor seco se consigue un rendimiento total entre un 30% y un 80%. Además, el rendimiento actual de una bomba varía en el campo de curvas características entre cero y un valor máximo.

Cuando la bomba trabaja contra una válvula ce-rrada se obtiene una presión elevada , pero el efecto de la bomba es cero, ya que no hay un caudal de agua. Lo mismo ocurre en un tubo abierto. A pesar de un elevado caudal no se

el dimensionado de la bomba de calefacción que el punto de trabajo se encuentre durante el pe-riodo de calefacción normalmente en el tercio central de la curva característica de la bomba. De esta manera trabaja con el mejor rendimiento. El rendimiento de una bomba se determina mediante la siguiente ecuación:

Rendimiento y curva característica de una bomba

Bombas con una potencia

del motor P₂ _tot

hasta 100 W aprox. 5 % – aprox. 25 % de 100 a 500 W aprox. 20 % – aprox. 40 % de 500 a 2500 W aprox. 30 % – aprox. 50 %

Bombas con una potencia

del motor P₂ _tot

hasta 1.5 kW aprox. 30 % – aprox. 65 % de 1.5 a 7.5 kW aprox. 35 % – aprox. 75 % de 7.5 a 45.0 kW aprox. 40 % – aprox. 80 %

Rendimiento de bombas estándar de rotor húmedo (valores orientativos)

Bombas con una potencia del motor P2

Rendimiento de bombas de rotor seco (valores orientativos) Flow rate Q [m3_/h] H ␩ Deliv ery head H [m] P = Rendimiento de la bomba Q [m3_{/h] = Caudal suministrado} H [m] = Altura de presión

P₂[kW] = Potencia en el eje de la bomba

367 = Constante de conversión

r [kg/m3_{] = Densidad del líquido a bombear}

El rendimiento (o la potencia) de la bomba depende de su tipo de diseño

Las siguientes tablas permiten obtener una visión de conjunto del rendimiento en función de la potencia de motor seleccionada y del tipo de construcción de la bomba (rotor húmedo o seco).

Q • H • r p=

---367 • P2

establece ninguna presión y el rendimiento es nuevamente cero.

Caudal

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Del desarrollo de la curva de potencia se desprenden las siguientes relaciones: El motor consume la potencia más baja cuando el caudal volumétrico es bajo. La potencia absorbida aumenta en función del caudal suministrado de la bomba. La potencia absorbida aumenta más que el caudal suministrado.

Influencia de la velocidad del motor

Cuando se modifica la velocidad de la bomba bajo las mismas condiciones en la instalación, la potencia absorbida P de la bomba varía aproxi-madamente de forma proporcional a la tercera

potencia de la velocidad n.

Este conocimiento permite regular eficazmente la bomba y adaptar la energía de calefacción a las necesidades. Cuando la velocidad se duplica, el caudal suministrado se duplica también. La altura de presión aumenta cuatro veces en compara-ción con su valor inicial. La energía de accionamiento necesaria es por lo tanto ocho veces mayor. Con una reducción de la velocidad dismi-nuyen también el caudal suministrado, la altura de presión en la tubería y la potencia absorbida conforme a las relaciones anterior-mente mencionadas.

Velocidades de giro fijas debidas al tipo de construcción

Un distintivo de las bombas centrífugas es la altura de presión determinada por el motor usado y la velocidad fija especificada. Se consi-deran bombas de marcha rápida con velocidades de giro n > 1.500 rpm y de marcha lenta con velocidades de giro n < 1.500 rpm.

No obstante, el diseño de los motores de marcha lenta es algo más complicado, por lo que el pre-cio de estas bombas puede ser más elevado. El empleo de una bomba de marcha rápida en instalaciones que permiten o requieren la apli-cación de una bomba de marcha lenta provoca un consumo de energía innecesariamente alto. Los gastos de adquisición más altos de una bomba con una velocidad más baja redundan en un ahorro consi-derable de energía de accionamiento. Esto permite amortizar rápida-mente los gastos iniciales más altos.

La regulación continua de la velocidad mediante el equipo electrónico de la bomba conforme a la demanda reducida de energía de calefacción ofrece un claro potencial de ahorro de gastos. Un motor eléctrico acciona el eje de la bomba, en

el cual está montado el rodete. El aumento de presión generado en la bomba y el caudal sumi-nistrado transportado por la bomba son el resul-tado hidráulico de la energía eléctrica de accionamiento. La potencia requerida por el motor se denomina potencia absorbida P1 de la bomba.

Curvas características de las bombas

Las curvas características de las bombas se re-presentan en un diagrama. En el eje vertical, la ordenada, se muestra la potencia absorbida P1 de la bomba en vatios [W]. En el eje horizontal, la abscisa, se refleja el caudal suministrado Q de la bomba en metros cúbicos por hora [m3_{/h], igual} que en la curva característica de la bomba que se explica más adelante. La división de los ejes en ambos diagramas es idéntica. En los catálogos se muestran estas curvas características frecuente-mente una debajo de la otra para poder apreciar claramente las relaciones.

0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 Q 150 125 100 75 50 25 0 6 5 4 3 2 1 0 Wilo-TOP-S 25/5 Wilo-TOP-S 30/5 1~230 V - Rp1/Rp11_/4 0 0,5 1 1,5 0 5 10 15 20 [lgpm] [l/s] min. (3 ) (2 ) min. max. 0 1 2 3 0 0,5 1 1,5 2 v [m/s] Rp1 Rp11_/4 max. (1 ) [m3_/h] [m3_/h] P1 [W ] H [m]

Relación entre la curva carac-terística de la bomba y la curva de rendimiento

Potencia absorbida de las bombas centrífugas

P1 3

P2 n1 n2 Véase el capítulo "Curvas características", página 31

Véase el capítulo "Regulación continua de la velocidad", página 36

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Bombas de rotor húmedo

Mediante la incorporación de una bomba de rotor húmedo, opcionalmente en la tubería de impul-sión o de retorno, se consigue una circulación rápida e intensiva del agua. Esto permite emplear tuberías con una sección transversal más pequeña. De esta manera se reducen los gastos de una instalación de calefacción. En las tuberías del sistema de calefacción se encuentra una can-tidad de agua considerablemente más baja. La calefacción puede reaccionar más rápidamente ante variaciones de la temperatura y puede re-gularse mejor.

Características

El rodete de una bomba centrífuga se caracteriza por una aceleración radial del agua. El eje, en el cual está montado el rodete, es de acero inoxi-dable y los cojinetes del eje son de carbón sin-terizado o de un material cerámico. El rotor del motor, que se encuentra en el eje, gira inmerso en el fluido a transportar. El agua lubrica los cojinetes y enfría el motor.

Una camisa rodea al estator portador de corrien-te eléctrica. Escorrien-te tubo está fabricado de acero inoxidable no imantable o de fibras de carbono y tiene un grosor de pared de 0,1 mm a 0,3 mm. En aplicaciones especiales (por ejemplo en sis-temas de abastecimiento de agua) se emplean motores de bomba con una velocidad fija. Cuando la bomba de rotor húmedo se emplea por ejemplo en un circuito de calefacción, es decir, para suministrar energía calorífica a los radia-dores, esta energía debe adaptarse al consumo de calor variable de una casa. En función de la temperatura exterior se necesitan distintas can-tidades de agua de calefacción. Las válvulas ter-mostáticas montadas en las entradas de los ra-diadores determinan el caudal suministrado.

Sistema de calefacción con bomba

Ventajas: Secciones transver-sales más pequeñas de las tuberías, menor cantidad de agua en el sistema, capacidad de reacción rápida a varia-ciones de la temperatura, gas-tos de instalación más bajos.

Primera bomba de rotor húmedo y regulación elec-trónica continua e integrada de la velocidad Feed Pump _Return Ventilation Heat consumer Control equipment

Diaphragm expansion tank

Por este motivo, los motores de bombas de rotor húmedo permiten una conmutación de la veloci-dad en varias etapas. Esta conmutación de la velocidad puede realizarse manualmente me-diante conmutadores o conectores que se pueden enchufar. Unos sistemas externos adi-cionales de conmutación y regulación permiten una automatización en función del tiempo, de la presión diferencial o de la temperatura.

Desde 1988 existen formas de construcción con equipos electrónicos integrados que regulan de forma continua la velocidad.

Las bombas de rotor húmedo se conectan en función del tamaño y de la potencia de la bomba a la red monofásica de 230 V o a la red trifásica de 400 V.

Las bombas de rotor húmedo se caracterizan por un funcionamiento muy silencioso, además no necesitan un sellado del eje.

La generación actual de bombas de rotor húmedo está construida según el principio mo-dular. Todos los componentes se ensamblan en función del tamaño de la bomba y de la potencia requerida. Esto facilita también la posible reparación necesaria de una bomba mediante la sustitución de piezas de recambio.

Una característica importante de este diseño es la capacidad de purga automática de aire durante la puesta en servicio. Carcasa de la bomba Camisa Rodete 3D Rotor Bobinado

Vaso de expansión membrana Consumidores de calor Dispositivo de regulación Bomba Alimentación Retorno Purga de aire

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Posiciones de montaje

Las bombas de rotor húmedo se suministran hasta un diámetro nominal de conexión de R 1 1/4 como bombas con rosca de conexión. Las bom-bas de mayor tamaño se suministran con bridas de conexión. Estas bombas pueden montarse en la tubería sin cimientos tanto horizontal como verticalmente.

Tal como se ha mencionado anteriormente, los cojinetes de la bomba de circulación se lubrican con el fluido a bombear. Asimismo, el fluido sirve para refrigerar el motor. Por este motivo es pre-ciso garantizar una circulación de líquido con-tinua por la camisa.

El eje de la bomba debe estar dispuesto siempre en posición horizontal (bombas de rotor húmedo, calefacción). Un montaje con eje verti-cal o colgante provoca un comportamiento en servicio inestable y, de esta manera, un fallo de la bomba después de poco tiempo.

Para conocer las posiciones de montaje hay que consultar las instrucciones de montaje y de fun-cionamiento.

Las bombas de rotor húmedo anteriormente descritas destacan por sus buenas características de funcionamiento. Su fabricación es relativa-mente económica.

Admisible sin restricciones para bombas con 1, 3 ó 4 niveles de velocidad

Admisible sin restricciones para bombas con regulación continua

Posiciones de montaje no permitidas

Posiciones de montaje de bombas de rotor húmedo (extracto)

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-Bombas de rotor seco

Características

Para el bombeo de caudales volumétricos eleva-dos se emplean bombas de rotor seco. Las bom-bas de rotor seco son más apropiadas también para el bombeo de agua de refrigeración y de medios agresivos. A diferencia de una bomba de rotor húmedo, el fluido a bombear no entra en contacto con el motor, por este motivo se denominan bombas de rotor seco.

Otra diferencia respecto a la bomba de rotor húmedo es el sellado de la carcasa de la bomba y del eje frente al ambiente. Para el sellado se emplea una empaquetadura para prensaestopas o un cierre mecánico.

Los motores de las bombas estándar de rotor seco son motores trifásicos normales con una velocidad base fija. Su velocidad se modifica nor-malmente mediante un equipo de regulación electrónico externo. Actualmente existen bom-bas de rotor seco con regulación electrónica integrada de la velocidad. Estos dispositivos de regulación electrónicos están disponibles para potencias cada vez mayores, gracias al progreso técnico.

El rendimiento total de las bombas de rotor seco es mucho mejor que el de las bombas de rotor húmedo.

Las bombas de rotor seco se clasifican principal-mente en tres grupos según su tipo de construc-ción:

Bombas en línea

Son bombas en línea cuando las bocas de aspiración y de impulsión se encuentran en un mismo eje y tienen el mismo diámetro nominal. Las bombas en línea tienen un motor norma-lizado embridado y refrigerado con aire.

Este tipo de construcción se emplea en la técnica de control de edificios cuando se necesitan potencias mayores. Estas bombas pueden mon-tarse directamente en la tubería. La tubería se sujeta mediante soportes o la bomba se monta en un asiento propio o en una bancada.

Bombas monobloque

Son bombas centrífugas de una etapa y de baja presión con un tipo de construcción en bloque y con un motor refrigerado por aire. La caja espiral tiene una boca de aspiración axial y una boca de impulsión dispuesta de forma radial. Las bombas

Véase el capítulo "Obturación de ejes" en la página 28

Bombas estandarizadas

En este tipo de bombas centrífugas con entrada axial, la bomba, el acoplamiento y el motor están montados en una placa base común, por lo que sólo son apropiadas para el montaje en un asiento.

En función del fluido a bombear están equipadas con empaquetadura de prensaestopas o con cierre mecánico deslizante. La conexión de impulsión determina el diámetro nominal de la bomba. El diámetro nominal de la conexión de aspiración es normalmente más grande.

Estructura de una bomba con rotor seco

Cierre mecánico Tuerca ciega Carcasa de la bomba Linterna Rodete Motor normalizado Tapa del ventilador

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Cierres mecánicos

En su construcción base, las obturaciones con cierre mecánico se componen de dos anillos con superficies de obturación finamente pulidas. Se comprimen mediante un resorte y giran en servi-cio uno en contacto con otro. Las obturaservi-ciones con cierres mecánicos son juntas dinámicas y se emplean para obturar ejes giratorios a presiones medias y altas.

La zona de obturación del cierre mecánico son superficies planas exactamente rectificadas de poco desgaste (por ejemplo anillos de carburo de silicio o de carbón) presionados uno contra otro con fuerzas axiales ejercidas por un resorte. El anillo de obturación (móvil) gira junto con el eje mientras que el contraanillo (fijo) está dispuesto de forma estacionaria en la carcasa.

Entre las superficies de deslizamiento se forma una capa delgada de agua que sirve para la lubri-cación y el enfriamiento.

En servicio pueden establecerse distintos tipos de fricción entre las superficies deslizantes: fric-ción combinada, fricfric-ción en superficies límite y fricción seca, provocando la fricción seca una destrucción inmediata de las superficies de obturación. La duración en servicio depende por ejemplo de la composición del medio a bombear y de la temperatura.

Prensaestopas

Materiales apropiados para empaquetaduras de prensaestopas son por ejemplo los hilos sintéti-cos de alta calidad de por ejemplo Kevlar® oder Twaron®, PTFE, hilos de grafito expandido, hilos sintéticos de fibras minerales así como fibras naturales como cáñamo, algodón o ramio. El material para las empaquetaduras puede sumi-nistrarse por metros o en forma de anillos pren-sados, tanto secos como impregnados con sus-tancias adaptadas a la aplicación concreta. De materiales suministrados por metros se corta y moldea en primer lugar un anillo. Este se coloca a continuación alrededor del eje de bomba y se comprime con ayuda del casquete del pren-saestopas.

-Obturación de ejes

Como se ha mencionado anteriormente, la obtu-ración de ejes respecto al ambiente puede con-seguirse con un cierre mecánico o con una empaquetadura de prensaestopas (opcional-mente en particular en bombas estandarizadas). A continuación se explican más detalladamente las dos posibilidades de obturación.

Cierre mecánico en una bomba de rotor seco

Recuerde:

Los cierres mecánicos son piezas de desgaste. Una mar-cha en seco es inadmisible y provoca la destrucción de las superficies de sellado.

Contraanillo (ob-turación principal)

Anillo deslizante (ob-turación principal)

Fuelle de goma (ob-turación adicional)

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Bombas centrífugas de alta

presión

El diseño característico de estas bombas con-siste en su tipo de construcción en forma de eta-pas acopladas con rodetes y cajas individuales. La capacidad de una bomba depende entre otros factores del tamaño de los rodetes. La altura de presión de las bombas centrífugas de alta pre-sión se consigue mediante la disposición en serie de varios rodetes y coronas de paletas directri-ces. La energía de movimiento se transforma en presión en parte en el rodete y en parte en la corona de paletas directrices.

El tipo de construcción con varias etapas facilita la consecución de niveles de presión en bombas centrífugas de alta presión que con el uso de bombas de baja presión de una sola etapa no pueden realizarse

Algunas bombas muy grandes de este tipo tienen hasta 20 etapas. De esta manera se con-siguen alturas de presión de hasta 250 m. Las bombas centrífugas de alta presión anterior-mente descritas pertenecen casi exclusivaanterior-mente a la familia de bombas de rotor de seco. No obstante, actualmente se ha conseguido tam-bién equiparlas con motores de rotor húmedo.

Vista en corte a través de una bomba centrífuga de alta presión

Curva característica de una bomba centrífuga de alta presión

Posiciones de montaje

Posiciones de montajes admisibles

• Las bombas en línea están diseñadas para un montaje directo horizontal o vertical en una tubería.

• Debe estar previsto espacio libre suficiente para el desmontaje del motor, del puente y del rodete.

• Cuando se monta una bomba, la tubería tiene que estar libre de tensiones y, dado el caso, la bomba debe estar apoyada sobre sus pies. Posiciones de montaje no admisibles

• No está permitido el montaje con el motor y la caja de bornes dirigidos hacia abajo.

• A partir de una determinada potencia de la bomba hay que consultar a los fabricantes acerca de la posición horizontal de montaje de la bomba.

Peculiaridades de bombas monobloque

• Las bombas monobloque deben colocarse en asientos o bancadas apropiados.

• No está permitido el montaje con el motor y la caja de bornes dirigidos hacia abajo. Cualquier otra posición de montaje es posible.

Las posiciones de montaje se pueden consultar en las instrucciones de montaje y de servicio.

Rodetes

Ejemplo de una bomba cen-trífuga de alta presión con motor de rotor húmedo

Wilo-Multivert-MVIS 202-210 50 Hz 120 110 100 90 80 70 60 50 40 204 205 206 208 209 207 210 H[m]

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(31)

El aumento de la presión en la bomba se deno-mina altura de presión.

Definición de la altura de presión

La altura de presión H de una bomba es el trabajo mecánico útil transmitido por la bomba al líquido bombeado dividido por la fuerza originada por el peso del líquido bombeado bajo el efecto de la aceleración de la gravedad local.

E = Energía mecánica útil [N o m] G = Fuerza originada por el peso [N]

El aumento de presión generado en la bomba y el caudal impulsado por la bomba están relaciona-dos entre sí. Esta dependencia se representa en un diagrama como la curva característica de la bomba.

En el eje vertical, la ordenada, se muestra la altura de presión H de la bomba en metros [m]. Es posible emplear otras unidades en los ejes. Se encuentra en vigor la siguiente transformación:

10 m = 1 bar = 100,000 Pa = 100 kPa

El eje horizontal, la abscisa, está dividida en unidades del caudal Q de la bomba en metros

cúbicos por hora [m3_{/h]. También es posible}

emplear otras unidades (por ejemplo l/s). Del desarrollo de la curva de potencia se desprende que: La energía eléctrica de accionamiento se transforma en la bomba en formas de energía hidráulicas que son un aumento de la presión y del flujo (teniendo en cuenta el rendimiento total). Cuando la bomba trabaja contra una válvula cerrada, se produce la presión máxima de la bomba. Esto se denomina

altura de presión a caudal cero HOde la bomba.

Cuando la válvula se abre paulatinamente, el medio a bombear empieza a fluir. Una parte de la energía de accionamiento se transforma en energía cinética. En este momento ya no es posi-ble mantener la presión inicial. La curva carac-terística de la bomba tiene una forma descen-dente. Teóricamente se alcanza el punto de

Curvas características

Curvas características de las bombas

Flow rate Q [m3_/h] Pump curve Theoretical run Zero-delivery head H₀ Deliv ery head H [m] E G H = [m] Flow rate Q [m3_/h]

flat (e.g. 1450 1/min)

steep (e.g. 2900 1/min)

H₀ H₀ Deliv ery head H [m] H₀ ery head H [m]

Inclinaciones distintas, por ejemplo en función de la velocidad del motor con la misma carcasa de bomba y el mismo rodete.

En función de la inclinación y la variación del punto de trabajo de la bomba se obtienen distin-tas variaciones del caudal suministrado y de la presión:

• Curva característica poco inclinada

– Mayor variación del caudal suministrado, pero poca variación de la presión.

• Curva característica muy inclinada

– Menor variación del caudal suministrado, pero gran variación de la presión.

Curva característica de una bomba

Formas de las curvas características de las bombas

En la siguiente figura se muestra la inclinación diferente de curvas características de una bomba por ejemplo en función de la velocidad del motor.

Caudal Caudal

Altura de impulsión

Altura de presión de caudal cero H0

Curva de la bomba

muy pronunciada (por ejemplo 2.900 rpm)

poco pronunciada (por ejemplo 1.450 rpm)

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C U R VA S C A R A C T E R Í S T I C A S

La resistencia interna por fricción de las tuberías origina una caída de presión del fluido trans-portado conforme a la longitud total de la tubería. La caída de presión depende además de la temperatura del fluido y de su viscosidad, de la velocidad de flujo, de las válvulas, de los equipos y de la resistencia por fricción en las tuberías en función del diámetro, la longitud y la rugosidad interna de los tubos. Esta caída de la presión se representa en forma de una curva característica de la instalación. Se emplea el mismo diagrama que para la curva característica de la bomba. La curva característica muestra las siguientes relaciones :

Curva característica de la instalación

Q [m3_/h] H₁ Q₁ H₂ Q₂ H [m] 0 1 2 3 4 40 50 60 70 80 30 20 10 0

La causa de la resistencia por fricción en las tuberías es la fricción del agua en las paredes, la fricción interna entre las gotas de agua y las desviaciones en las partes curvadas de la insta-lación. Con una variación del caudal sumi-nistrado, por ejemplo mediante apertura o cierre de las válvulas termostáticas, varía también la velocidad de flujo del agua y de esta manera la resistencia por fricción en los tubos. Con una sección transversal de los tubos constante, la resistencia varía en función del cuadrado de la velocidad de flujo. En el dibujo se obtiene por lo tanto una parábola.

Matemáticamente se obtiene la siguiente ecuación:

Resultado

Cuando el caudal suministrado en la red de tuberías se reduce a la mitad, la altura de presión desciende a un cuarto de su valor inicial. Una duplicación del caudal suministrado tiene como consecuencia un aumento de la altura de presión al cuádruple de su valor inicial.

Como ejemplo debe servir la salida de agua de un grifo. Con una presión previa de 2 bar, lo que co-rresponde a una altura de presión de la bomba de aproximadamente 20 metros, sale de un grifo DN

1/2 un caudal de 2 m3_{/h. Para duplicar el caudal}

suministrado es preciso aumentar la presión pre-via de 2 bar a 8 bar.

Curva característica de la instalación

Salida de agua de un grifo con diferentes pre-siones previas

Inlet pressure 2 bar Discharge 2 m3_/h

½"

2 m3

½"

4 m3

Inlet pressure 8 bar Discharge 4 m3_/h H1 2

H2 Q1 Q2 =

Presión previa 2 bar Caudal de salida 2 m3/h

Presión previa 8 bar Caudal de salida 4 m3/h