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Las bombas son equipos mecánicos que sirven para elevar los líquidos
y conducirlos de un lugar a otro, o lo que es lo mismo, comunicarles
cierta cantidad de energía (carga) que les permita vencer la resistencia
de las tuberías a la circulación, así como, la carga que representa la
diferencia de nivel entre el lugar de donde se toma el líquido y el lugar
a donde se pretende llevar.
Los líquidos circulan del lugar de mayor energía al lugar de menor
energía; el suministrarle energía la bomba al líquido tiene el objeto de
producir el gradiente necesario para establecer la circulación y vencer
las resistencias.
TIPOS DE BOMBAS
Las bombas se dividen en dos grupos, que son los siguientes:
a)Bombas de desplazamiento positivo (directas).
b)Bombas de desplazamiento no positivo (indirectas) o rotodinámicas
BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
Características generales de funcionamiento
Las bombas de este tipo son bombas de desplazamiento que crean la
succión y la descarga, desplazando agua con un elemento móvil. El
espacio que ocupa el agua se llena y vacía alternativamente forzando y
extrayendo el líquido mediante movimiento mecánico.
El término “positivo”, significa que la presión desarrollada está limitada
solamente por la resistencia estructural de las distintas partes de la
bomba y la descarga no es afectada por la carga a presión sino que está
determinada por la velocidad de la bomba y la medida del volumen
desplazado.
Las bombas de desplazamiento positivo funcionan con bajas
capacidades y altas presiones en relación con su tamaño y costo. Este
tipo de bomba resulta el más útil para presiones extremadamente altas,
para operación manual, para descargas relativamente bajas, para
operación a baja velocidad, para succiones variables y para pozos
profundos cuando la capacidad de bombeo requerida es muy poca.
Bombas reciprocantes
Características de funcionamiento
En las bombas reciprocantes el pistón crea un vacío parcial dentro del
cilindro permitiendo que el agua se eleve ayudada por la presión
atmosférica. Como hace falta un espacio determinado de tiempo para
que se llene el cilindro, la cantidad de agua que entra al espacio de
desplazamiento dependerá de la velocidad de la bomba, el tamaño de
las válvulas de entrada y la efectividad del material sellante de las
válvulas y del pistón. Como se muestra en la figura 7.2.
Debido a la resistencia friccional que se desarrolla en sus partes en
movimiento, las bombas reciprocantes tienen una eficiencia
relativamente baja; las pérdidas en las correas, los engranes y las
chumaceras se añaden a la resistencia de las partes móviles para dar
un rendimiento bajo en proporción a la potencia suministrada por la
unidad motriz.
Las válvulas de las bombas de pistón son de dos tipos las de succión,
que permiten la entrada al espacio de desplazamiento, y las de
descarga, que dejan que el agua pase hacia el tubo de descarga, Estas
válvulas operan por la fuerza que ejerce sobre ellas el peso del agua, o
por la acción ejercida por elemento de desplazamiento
Bombas rotatorias
Caracteres generales de su funcionamiento
Las bombas rotatorias son unidades de desplazamiento positivo, que
consisten en una caja fija que contiene engranes, aspas u otros
dispositivos que rotan, y que actúan sobre el líquido atrapándolo en
pequeños volúmenes entre las paredes de la caja y el dispositivo que
rota, desplazando de este modo el líquido de manera similar a como lo
hace el pistón de una bomba reciprocante. Como se muestra en la
figura 7.4.
Pero las bombas rotatorias en vez de suministrar un flujo pulsante como
sucede con las bombas reciprocantes, descargan un flujo uniforme, por
el movimiento de rotación de los engranes que es bastante rápido.
Las bombas rotatorias se usan generalmente para aplicaciones
especiales, con líquidos viscosos, pero realmente pueden bombear
cualquier clase de líquidos, siempre que no contengan sólidos en
suspensión. No obstante, debido a su construcción, su uso más común,
es como bombas de circulación o transferencia de líquidos.
BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO O
ROTODINÁMICAS
Características generales de las bombas no positivo
Las bombas de este grupo son las que más se usan en las distintas
aplicaciones y prácticamente han desplazado casi completamente a las
bombas reciprocantes y rotativas por su adaptabilidad a las condiciones
de servicio más diversas. Podemos decir que las bombas centrífugas, de
flujo mixto y axiales se encuentran entre las máquinas que más se usan
en la técnica moderna, paralelamente al motor eléctrico.
Estas bombas transmiten la energía al líquido por la rotación del
impelente. El impelente está provisto de una serie de alabes o paletas
que son las que transmiten la energía y dirigen la circulación del
líquido para lograr la transformación más efectiva de la energía
mecánica suministrada por el motor en energía hidráulica,
representada por la carga a presión a la salida y el volumen del líquido
en circulación.
CLASIFICACION DE BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO NO
POSITIVO
Este tipo de bombas consiste esencialmente en un impelente, rodete o
rotor, colocado dentro de una caja y dispuesto de tal manera que
cuando rota, le transmite energía al líquido bombeado, aumentando la
presión y la velocidad del mismo. La caja de la bomba tiene una forma
tal que transforma la carga a velocidad (energía en forma de velocidad)
a la salida del impelente, en carga a presión a la salida de la bomba, ya
que de esta forma el líquido puede vencer mejor la diferencia de nivel y
la resistencia que ofrecen las tuberías a la circulación.
La acción de bombeo se dice que no es positiva, ya que la carga está
limitada por la velocidad en la periferia del impelente, la cual depende
del diámetro del rotor y de su velocidad de rotación.
Las bombas de desplazamiento no positivo pueden clasificarse
atendiendo al tipo de flujo
dentro del impelente y por consiguiente a su forma, en tres grupos
principales:
- Bombas de flujo radial o centrífugas
- Bombas de flujo diagonal o mixto
- Bombas de flujo axial
Generalmente las bombas incluidas en los dos primeros grupos se
conocen en el mercado como bombas centrífugas. En comparación con
las bombas de desplazamiento positivo, puede decirse que las bombas
de desplazamiento no positivo suministran una carga pequeña y una
descarga grande.
Bombas Centrífugas
Reciben el líquido que ha entrado por el tubo de aspiración en dirección
axial a través de la parte central u ojo del impelente, y el impelente lo
impulsa entonces en dirección radial, hacia afuera, absorbiendo el
líquido de este modo, la energía, que producirá a la salida de la bomba
la carga a presión correspondiente.
Los álabes de las bombas centrífugas, están dispuestos en forma radial
con el objeto precisamente, de orientar el flujo en esa dirección.
Con el objeto de retardar la velocidad del líquido y transformar la carga
a velocidad en carga a presión, se sitúan a veces en la caja, alrededor
del impelente una serie de paletas fijas, que se conocen con el nombre
de paletas directrices o álabes directores, y también como distribuidor
o difusor. De este modo se forma una serie de conductos divergentes
dentro de la caja.
Los impelentes de las bombas centrífugas pueden ser:
a) abiertos, si las paletas no tienen paredes laterales
b) semicerrados, si el lado posterior del rodete está tapado por una
pared
c) cerrados, si los dos lados del impelente están provistos de paredes
que tapen las
paletas
Clasificación de las bombas centrífugas atendiendo diversos
aspectos
Cuando una bomba centrífuga tiene un solo impelente se dice que es de
una sola etapa. Si tiene dos impelentes dentro de la misma caja y están
colocados en serie, se dice que es de dos etapas; si tiene varios
impelentes se dice que es de varias etapas o multicelular.
De acuerdo con la posición de su eje motriz podemos clasificarlas como
bombas
centrífugas horizontales y bombas centrífugas verticales.
Bombas centrífugas horizontales
Las bombas centrífugas horizontales se usan generalmente para aspirar
de pozos llanos, casi nunca con el nivel del agua a más de 20 pies (6.1
m) por debajo del centro del impelente, y desde luego con el límite
máximo de aspiración que fija la presión atmosférica. Cuando se
necesita extraer agua a mayor profundidad se usan bombas centrífugas
verticales de pozo profundo.
Ceba de las bombas centrífugas horizontales
Cuando las bombas centrífugas se encuentran colocadas por encima del
nivel del agua que van a bombear, es necesario, para que puedan
trabajar, que el tubo de succión y la bomba, estén completamente
llenos del líquido, antes de que la bomba comience a funcionar. Uno de
los medios más simples de lograr esto, es el de colocar una válvula de
pie en el extremo inferior del tubo de succión, por debajo del nivel del
agua.
Bombas centrífugas verticales
Para extraer el agua cuando se encuentra por debajo del nivel donde se
puede extraer con la ayuda de la presión atmosférica (normalmente a
profundidades mayores de 20 pies), se usan las bombas centrífugas
verticales de pozo profundo. Estas bombas son del tipo turbina, y el
cuerpo de la bomba, se instala por debajo del nivel del agua.
Por las ventajas que significa el montaje vertical en muchos casos, y por
el gran desarrollo que ha tenido el diseño de este tipo de bombas, las
bombas verticales de pozo profundo se aplican cada día más en trabajos
que antes estaban reservados sólo para bombas horizontales.
Aplicaciones de las bombas centrífugas
El campo de aplicación de las bombas centrifugas es muy amplio y cada
día se ensancha más. Esta gran amplitud de posibilidades de aplicación
de este tipo de bombas se debe, como ya hemos señalado
anteriormente, a varios factores, entre los que se destacan: su gran
adaptabilidad a motores eléctricos de alta velocidad y a turbinas de
vapor; el número mínimo de partes móviles que las componen, lo que
hace que el desgaste sea pequeño; y el bajo costo y tamaño
relativamente pequeño de la bomba, en relación con el volumen de
líquido que puede manejar.
Las bombas centrífugas resultan elemento indispensable en las
instalaciones de abastecimiento de agua para poblaciones, industrias,
edificios, etc., en los sistemas de riego y drenaje, en los alcantarillados
de aguas residuales, en los sistemas de acumulación de las estaciones
hidroeléctricas, en los sistemas de alta presión de alimentación de
calderas, en las prensas hidráulicas, en la circulación de agua para
calefacción, refrigeración o plantas térmicas, y en la impulsión de toda
clase de líquidos, ya sean viscosos, corrosivos, jugos de frutas, leche,
etc., en las instalaciones industriales.
Bombas de flujo diagonal o mixto
Se construyen dándole al impelente una forma tal que las paletas ya no
quedan dispuestas en forma radial, esto se hace, sobre todo, cuando el
caudal de la bomba es grande y el diámetro del tubo de aspiración
también es grande, en relación con el diámetro que debe darse al
impelente para producir la carga requerida. Cuando con un impelente
de flujo diagonal o mixto se quiere obtener un caudal mayor, en
relación con la carga suministrada al fluido, el diseño del impelente se
modifica y se produce lo que se conoce como rodete de tipo helicoidal.
En lo que sigue usaremos el término centrífuga para indicar tanto las
bombas de flujo radial como las de flujo mixto.
Bombas de flujo axial
Se constituyen cuando la carga de la bomba debe ser aún menor en
relación con el caudal, que en los casos anteriores. El impelente de este
tipo de bombas está provisto de paletas que inducen el flujo del líquido
bombeado en dirección axial.
En este tipo de bombas las paletas directrices se colocan en muchas
ocasiones antes del impelente. Las figuras 7.11 y 7.12 nos muestran
bombas de flujo axial. Estas bombas se usan para manejar grandes
caudales de líquido contra cargas de bombeo relativamente pequeñas, y
en ellas, no se puede hablar de fuerza centrífuga en la transmisión de
energía a la corriente.
Se usan, principalmente para drenaje, riego, desde canales con
pequeña diferencia de nivel, bombeo en salinas, etc. Las bombas axiales
horizontales pierden mucho, si existe un codo en la succión o si tienen
que trabajar con una carga de succión; es por eso que en la actualidad
se usa más cada día en este tipo de bombas el montaje vertical con los
impelentes sumergidos en el agua para evitar la succión, y la conexión
a la planta de fuerza motriz a través de un cabezal de engranes en
ángulo recto, dando de este modo una flexibilidad extraordinaria a la
instalación.
BOMBAS SUMERGIBLES
Son bombas casi exclusivamente utilizadas en caso de pozos profundos
y su denominación obedece a que tanto la bomba como el motor se
sumergen en la fuente misma. Este tipo de bombas se conoce como
bombas sumergibles (en realidad el que tiene la característica de
trabajar sumergido en el agua es el motor diseñado especialmente).
Como se muestra en la foto 7.6. En caso de pozos profundos, con
niveles de bombeo muy bajos, es aconsejable recurrir a bombas tipo
turbina de motor sumergido.
CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LAS BOMBAS
A causa de las características variables de la bomba centrífuga, es
importante tener una visión gráfica de las relaciones entre la carga, el
caudal, la eficiencia, la potencia necesaria, etc., de la bomba de que se
trate a una velocidad determinada. Estas curvas o gráficos
generalmente se preparan por el fabricante. Las curvas que aparecen a
continuación, figura 7.13, pueden considerarse típicas e ilustran las
características de una bomba trabajando a una velocidad constante
determinada.
La curva de carga-caudal es la línea que desciende de izquierda a
derecha, y representa las cantidades variables de líquido que la bomba
puede entregar a distintas cargas o presiones. La intersección de esta
línea con la línea de cero descarga, nos da la carga o presión que
desarrolla la bomba cuando la válvula de descarga está cerrada.
La curva que en este caso nos da la potencia necesario para operar la
bomba, tiene la pendiente hacia arriba, de izquierda a derecha. En este
caso el punto en que la potencia necesaria tiene un valor menor, es el
que corresponde a la válvula cerrada.
Parámetros
En los equipos de flujo, los principales parámetros son:
1. Capacidad
2. Carga
3. Potencia consumida
4. Rendimiento
5. Velocidad de rotación
Capacidad: La capacidad real de una bomba, ventilador o compresor,
es el volumen que es capaz de entregar la máquina en la unidad de
tiempo. Se puede expresar en términos de Flujo volumétrico (Q= m3/h),
o de Flujo másico (Q= kg/h); donde la relación entre ellos es Qm = ρ · Q;
donde ρ: Densidad = kg/m3.
El flujo volumétrico que trasiega por un conducto es:
Q = v · A
Donde;
v: Velocidad del fluido = m/h, m/s.
A: Área de la sección transversal del conducto; m2.
Carga de Impulsión y Presión: Caracteriza a la cantidad de energía
consumida o transmitida al flujo, cuando este pasa por la máquina.
Normalmente la carga (H), representa la energía transferida por la
máquina por cada unidad de peso del fluido y se mide en unidades
lineales (metros). Se puede representar como la altura hasta la cual se
puede elevar el fluido, con la energía que este ha recibido de la
máquina.
Es decir, en la práctica de la ingeniería, la carga (H) se mide unidades
lineales y se comprende como la altura de elevación que un fluido
puede alcanzar o expresar a la energía que la máquina le transmitió o le
dio al pasar por ésta.
Cuando la máquina impelente es una bomba, el parámetro que se usa
es la carga (H); cuando la máquina de flujo es un ventilador, se utiliza
como característica el parámetro presión (p). La presión representa en
las máquinas de flujo, el producto de la energía específica recibida por
el fluido, por su densidad.
Potencia y Rendimiento
La Potencia útil, es la cantidad de energía por unidad de tiempo,
entregada al fluido que abandona a la máquina por la tubería de
descarga.
Nu= ρ·g·Q·H/1000 (Kw)
La Potencia Interna, es la energía por unidad de tiempo que se
entrega a todo el fluido que circula por todo el interior de la máquina.
Ni= ρ·g·(Q + ∆Q)·(H + ∆H)/1000 (Kw)
Rendimiento Interno (ηi): Valora qué cantidad de la energía por
unidad de tiempo entregada a todo el fluido que circula en el interior de
la máquina se transforma en energía útil en el fluido por unidad de
tiempo. Se obtiene relacionando la Potencia Útil y la Potencia Interna.
ηi = Nu / Ni
o bien, ηi =ηv · ηh
donde;
ηv = Rendimiento Volumétrico
ηh = Rendimiento Hidráulico
El Rendimiento Volumétrico, valora la cantidad de flujo que sale de la
máquina para ser utilizado en forma útil, respecto al flujo total
trasegado por la máquina.
El Rendimiento Hidráulico, valora la cantidad de energía por unidad de tiempo, entregada al fluido que abandona la máquina por la tubería de descarga, con relación a toda la energía entregada al fluido
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