Alumno:

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUACIÒN UNIVERSITARIA

UNIVERSIDAD DEL ZULIANUCLEO COSTA ORIENTAL

Esquema

1. ¿Qué es una bomba?

2. Tipos de bomba

3. Áreas de aplicación

4. Criterios de selección de una bomba

5. Criterios de diseño de un sistema de bombeo

6. ¿En qué consiste la cavitación?

Desarrollo

1. ¿Qué es una bomba

Una bomba es una máquina hidráulica generadora que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud.

Tipos de bombas

Alabe

Impulsor entreRodamientos

Impulsor en voladizo

Carcasa rotativa

CentrifugaReversible

Tipo turbina

Impulsor entre Rodamientos

Impulsor en voladizo

TurbinaRegenerativa

Efecto especial

Centrifuga

Cavidad Progresiva

Tornillo

Lóbulo

Engranaje

Rotativa

Diafragma

Reciprocante

Pistón

Balancín

Cinética

Desplazamiento Positivo

Bombas

2.1 Bombas de desplazamiento positivo

Estas bombas guían al fluido que se desplaza a lo largo de toda su trayectoria, el cual siempre está contenido entre el elemento impulsor, que puede ser un embolo, un diente de engranaje, un aspa, un tornillo, etc., y la carcasa o el cilindro. “El movimiento del desplazamiento positivo” consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. Por consiguiente, en una máquina de desplazamiento positivo, el elemento que origina el intercambio de energía no tiene necesariamente movimiento alternativo (émbolo), sino que puede tener movimiento rotatorio (rotor).

Sin embargo, en las máquinas de desplazamiento positivo, tanto reciprocantes como rotativas, siempre hay una cámara que aumenta de volumen (succión) y disminuye volumen (impulsión), por esto a éstas máquinas también se les denomina volumétricas.

2.1.1 Bombas Reciprocantes

Llamadas también alternativas, en estas máquinas, el elemento que proporciona la energía al fluido lo hace en forma lineal y alternativa. La característica de funcionamiento es sencilla depende del llenado y vaciado sucesivo de receptáculos de volumen fijo, para lo cual cierta cantidad de agua es

Obligada a entrar al cuerpo de la bomba en donde queda encerrada momentáneamente, para después ser forzada a salir por la tubería de descarga. De lo anterior se deduce, en términos generales, que el gasto de una bomba reciprocante es directamente proporcional a su velocidad de rotación y casi independiente de la presión de bombeo.

2.1.1.1 Bomba de Pistón

En las bombas de émbolo el líquido es desalojado de las cámaras de trabajo por el movimiento alternativo de un pistón, mediante un mecanismo biela manivela, aunque también se pueden utilizar otros mecanismos, como levas, excéntricas, etc.

En las bombas de émbolo más usuales existen válvulas de aspiración y de impulsión que regulan el movimiento del líquido a través de la cámara de trabajo que, mientras se está llenando, la válvula de aspiración permanece abierta y la de impulsión cerrada, invirtiéndose la posición de las válvulas durante el desalojo o impulsión del líquido; estas válvulas sólo se abren por la acción del gradiente de presiones, y se cierran por su propio peso o por la acción de algún mecanismo con muelle. Según el número de cámaras de trabajo se dividen en bombas de simple efecto, z = 1, y de doble efecto, z = 2.

En la bomba de simple efecto, el líquido se impulsa únicamente durante media vuelta de la manivela, por cuanto, en la segunda media vuelta, el líquido se aspira, existiendo en consecuencia una gran irregularidad en el suministro

Esquema de bomba de émbolo de simple efecto

Para la bomba de doble efecto, el suministro durante una vuelta se reduce por dos veces a cero, y también, por dos veces, alcanza el valor máximo, siendo su irregularidad menor que para el caso de simple efecto, pero aún así es demasiado grande, por cuanto la presión del líquido junto al émbolo varía fuertemente debido a la corriente irregular en las tuberías.

Esquema de cuerpo de bomba de émbolo de doble efecto

Durante el movimiento acelerado del émbolo, y en consecuencia, del líquido en la tubería de aspiración, tiene lugar una caída de presión junto al émbolo que puede provocar cavitación, e incluso,

separación del líquido de la superficie del émbolo, consumiéndose una potencia suplementaria en el aumento periódico de las pérdidas de carga por rozamiento del líquido contenido en las tuberías de aspiración e impulsión.

Las bombas de émbolo pueden crear presiones de miles de atmósferas, siendo de entre todas las bombas existentes, las que poseen mayor impulsión; normalmente funcionan con números de revoluciones bajos, del orden de 300 a 500 rpm, ya que si las revoluciones son más altas, se puede llegar a alterar el funcionamiento normal de las válvulas de aspiración e impulsión, debido a esta marcha lenta, sus dimensiones resultan bastante mayores que las de una bomba centrífuga que funcione en las mismas condiciones de caudal y altura manométrica.

2.1.1.2 Bombas balancín

Es uno de los métodos de producción más utilizados (80-90%), el cual su principal característica es la de utilizar una unidad de bombeo para transmitir movimiento a la bomba de subsuelo a través de una sarta de cabillas y mediante la energía suministrada por un motor. Los componentes del bombeo mecánico esta compuesto básicamente por las siguientes partes: unidad de bombeo, motor (superficie), cabillas, bomba de subsuelo, anclas de tubería, tubería de producción (subsuelo). Un equipo de bombeo mecánico (también conocido como “balancín” o “cigüeña”) produce un movimiento de arriba hacia abajo (continuo) que impulsa una bomba sumergible en una perforación. Las bombas sumergibles bombean el petróleo de manera parecida a una bomba que bombea aire a un neumático. Un motor, usualmente eléctrico, gira un par de manivelas que, por su acción, suben y bajan un extremo de una eje de metal. El otro extremo del eje, que a menudo tiene una punta curva, está unido a una barra de metal que se mueve hacia arriba y hacia abajo. La barra, que puede tener una longitud de cientos de metros, está unida a una bomba de profundidad en un pozo de petróleo.

El equipo de subsuelo es el que constituye la parte fundamental de todo el sistema de bombeo. La API ha certificado las cabillas, las tuberías de producción y bomba de subsuelo.

Tubería de Producción. La tubería de producción tiene por objeto conducir el fluido que se esta bombeando desde el fondo del pozo hasta la superficie. En cuanto a la resistencia, generalmente la tubería de producción es menos crítica debido a que las presiones del pozo se han reducido considerablemente para el momento en que el pozo es condicionado para bombear.

Cabillas o Varillas de Succión. La sarta de cabillas es el enlace entre la unidad de bombeo instalada en superficie y la bomba de subsuelo.

Ventajas

a) La ausencia de cuellos y uniones elimina la posibilidad de fallas por desconexión.

b) La falta de uniones y protuberancias elimina la concentración de esfuerzos en un solo punto y consiguiente desgaste de la unión y de la tubería de producción.

c) Por carecer de uniones y cuellos, no se presentan los efectos de flotabilidad de cabillas.

Desventajas

a) Presentan mayores costos por pies que las cabillas convencionales.

b) En pozos completados con cabillas continuas y bomba de tubería, la reparación de la misma requiere de la entrada de una cabria convencional.

2.1.1.3 Bombas de diafragma

Las bombas de diafragma son un tipo de bombas de desplazamiento positivo (generalmente alternativo) que utilizan paredes elásticas (membranas o diafragmas) en combinación con válvulas de retención (check) para introducir y sacar fluido de una cámara de bombeo.

Bomba de diafragma

El funcionamiento de las bombas de membrana está basado fundamentalmente en la acción conjunta de cuatro elementos:

• Un par de membranas.

• Un eje que los une.

• Una válvula distribuidora de aire.

• Cuatro válvulas de esfera.

El aumento de presión se realiza por el empuje de unas paredes elástica) que varían el volumen de la cámara aumentándolo y disminuyéndolo alternativamente. Las válvulas de retención (normalmente de bolas de elastómero) controlan que el movimiento del fluido se realice de la zona de menor presión a la de mayor presión.

Se describe el funcionamiento a partir de una bomba sin suministro de aire y sin estar previamente cebada. Una vez conectado el aire comprimido, la válvula distribuidora lo enviará a la parte posterior de uno de los diafragmas, haciendo que el mismo se aleje del centro de la bomba. Ya que ambas membranas se encuentran unidas por el eje, en el mismo movimiento el diafragma de la izquierda se verá atraído hacia el centro de la bomba, generando una depresión en la cámara de líquido y expulsando al exterior el aire que se encontraba en su parte posterior. Dada la diferencia de presiones entre la cámara de líquido y el exterior, el producto a bombear ingresa al equipo abriendo la válvula de esfera. Cuando el eje llega al final de su carrera, la válvula distribuidora cambia el sentido del flujo de aire, enviándolo a la parte posterior de la otra membrana A partir de este momento, ambos diafragmas y el eje efectúan un recorrido inverso al anterior, produciendo el vaciamiento de la cámara de líquido izquierda y generando vacío en la de la derecha (las válvulas de esfera que estaban abiertas se cierran y viceversa debido al cambio de sentido del flujo). Este ciclo se repite indefinidamente mientras esté conectado el suministro de aire, independientemente de si la bomba está alimentada con líquido o no.

2.1.2. Bombas Rotativas

Las bombas rotativas pertenecen a una clase de bombas volumétricas que en la actualidad tienen una amplia gama de aplicaciones en la construcción de maquinaria; las diversas bombas que componen este grupo se diferencian sustancialmente en su diseño y construcción, pero tienen muchas características comunes, como la traslación de las cámaras de trabajo desde la cavidad de admisión de la bomba hasta la de impulsión, o el movimiento absoluto giratorio, o el más complicado de avance y giro de los elementos móviles.

En las bombas rotativas, el líquido se traslada en las cámaras de trabajo, debido al movimiento giratorio, más o menos complejo, de los elementos móviles respecto a la parte fija o estator.

En el estator están las cavidades de aspiración y de impulsión; el rotor es el órgano de la bomba, solidario con el árbol motriz, que se pone en rotación; además, en la bomba rotativa existen uno o varios elementos móviles, que se desplazan realizando una serie de movimientos cíclicos respecto al rotor; en las, se exponen algunos ejemplos.

La traslación de las cámaras de trabajo hace inútiles las válvulas de aspiración y de impulsión, no existiendo por lo tanto, distribución de líquido a través de válvulas; debido a esta característica, tienen la particularidad de ser reversibles, pudiendo trabajar también como motores hidráulicos cuando se las suministra un líquido a presión, lo cual asegura su amplio empleo en las llamadas transmisiones hidráulicas. Las bombas rotativas no disponen de mecanismo bielamanivela; son considerablemente más rápidas que las de émbolo, estando su campo de trabajo entre las 3.000 y 5.000 rpm, e incluso más; a su vez disponen de una cierta uniformidad de impulsión, muy superior a la de las bombas de émbolo.

2.1.2.1 Bombas de engranaje

La bomba de engranajes consiste en dos ruedas dentadas iguales, ajustadas al cuerpo de la bomba o estator,. El rotor es la rueda conductora, mientras que el órgano móvil, o elemento desplazante, es la conducida. Como el espacio entre elementos y la carcasa es extremadamente pequeño y el material que es bombeado actúa como agente lubricante, la bomba nunca girará en seco.

Estas bombas no están diseñadas para transportar sólidos, y por regla general llevan filtros en la línea de succión. Se accionan por un motor eléctrico y giran a elevada velocidad

Bomba de engranajes exteriores

Bomba de engranajes exteriores

Estas bombas pueden crear presiones entre 100 y 150 atm. Para obtener presiones más elevadas, se utilizan a veces bombas de engranajes de etapas múltiples, es decir, se hace un montaje de varias bombas de engranajes acopladas en serie, originándose así una Hm igual a la suma de las alturas manométricas correspondientes a las diversas etapas; para garantizar el llenado, el suministro de cada etapa anterior debe ser mayor que el caudal impulsado por la siguiente.

Si hay un exceso de suministro, se puede extraer parte de él mediante válvulas de desagüe especiales dispuestas en cada etapa y calculadas para una presión determinada.

Se emplean en la construcción de maquinaria; su desventaja radica en la imposibilidad de poder regular el volumen de trabajo, por cuanto no se permite ningún desplazamiento de los ejes.

Suelen utilizarse también bombas de engranajes con engranaje interior, en las que el rotor es una corona, mientras que el piñón es el órgano que se desplaza, existiendo entre corona y piñón, según se muestra en la Fig.6.8, la parte fija del estator de la bomba, en forma de hoz, que asegura el cierre de las cámaras de trabajo, es decir, los espacios entre los dientes de ambos engranajes.

Por cada vuelta del engranaje conductor se suministra un volumen de líquido igual al correspondiente a dos veces el número de dientes de dicho engranaje, no dependiendo del número de dientes del engranaje conducido.

Estas bombas con engranaje interior disponen de un paso algo mayor que las de engranaje exterior, para las mismas dimensiones; su ventaja consiste en la disposición simétrica del árbol de impulsión respecto al cuerpo; la fabricación de estas bombas es más complicada, y su altura de carga es menor a las de las bombas con engranajes exteriores, hecho que se explica porque en ellas, la vía de traslación de las cámaras de trabajo es mucho más corta que en las bombas con engranaje exterior, y por consiguiente, con menor grado de hermeticidad.

Se emplean en grupos que no precisan de altas presiones.

Bomba de engranajes interiores

2.1.2.2 Bombas lóbulo

Las bombas de lóbulos están constituidas esencialmente por dos rotores o engranajes exteriores, de forma lobular encerrados en un cuerpo. El movimiento relativo de estos rotores, es el de un par de engranajes que giran a la misma velocidad periférica, aunque esta propiedad sea impuesta por un mecanismo exterior al cuerpo de la bomba. De la precisión con que se efectúa este movimiento se consigue que los rotores no se rocen entre sí, ni con el cuerpo, lo cual permite que las bombas puedan girar en ambos sentidos, sin rozamiento metal - metal evitando así cualquier desgaste y alcanzando, por otra parte, excelentes alturas de aspiración, aunque esta característica estará en función de la viscosidad del fluido que se bombee y de la velocidad de accionamiento.

2.1.2.3 Bombas de lóbulos externos

Son bombas rotativas de engranajes externos que difieren de estas en la forma de accionamiento de los engranajes. Ambos engranajes tienen sólo tres dientes que son mucho más anchos y más redondeados que los de una bomba de engranajes externos. Su accionamiento es independiente por medio de un sistema de engranajes externo a la cámara de bombeo.

Ventajas de las bombas de lóbulos externos

1. Los lóbulos son accionados independientemente por medio de un sistema de engranajes externo a la cámara de bombeo.

2. Ofrecen mayor desplazamiento, pero su costo es mayor a las bombas de otro tipo.3. Esta bomba es adecuada para utilizarla con fluidos más sensibles al efecto del esfuerzo

tangencial (o de cizalle).4. Es excelente para el manejo de fluidos con gases o partículas atrapadas.

2.1.2.4 Bombas de lóbulos internos

Son bombas rotativas de engranajes internos que difieren en la forma de accionamiento de los engranajes. Esta bomba combina un engranaje interno dentro de otro externo. El engranaje interno está montado en el eje y lleva un diente menos que el engranaje exterior.

Ventajas principales de las bombas de lóbulos internos

1. Esta bomba tiene mayor eficiencia volumétrica que la de semiluna trabajando a bajas velocidades.

2. El rendimiento volumétrico y total de este tipo de bombas es generalmente similar al que ofrecen las bombas de engranajes externos.

Aplicación

Cuando se requieren condiciones severas en la transferencia de productos de diversas viscosidades, incluso calientes, en las industrias de procesos de alimentos, fármacos o química, se utiliza este tipo de bomba. El funcionamiento es similar a las bombas de engranajes o pistones rotativos, característica que permite desplazar el producto a baja velocidad. Para el desarrollo de esta bomba se ha tenido en cuenta en su diseño el rendimiento; en su construcción una rígida selección de materiales y esmerado mecanizado de los componentes, para poder lograr una robusta bomba positiva metálica, eficiente y confiable en el servicio pesado.

2.1.2.5Bombas de tornillo

Las bombas helicoidales pueden ser de uno o varios tornillos. Si se considera una bomba helicoidal de tres tornillos, de los cuales el central es el conductor y los dos laterales los conducidos, para asegurar un cierre hermético de las cámaras de trabajo y, por lo tanto, la separación de las cavidades de aspiración e impulsión de la bomba, se necesita que los tornillos tengan un perfil cicloidal determinado.

En el tornillo conductor este perfil es convexo, mientras que, en los conducidos, es cóncavo.

Generalmente la rosca es de dos entradas, y la relación de engrane desde el tornillo conductor hasta los conducidos es igual a la unidad.

Las cámaras de trabajo vienen limitadas entre los filetes de los tres tornillos y las superficies internas del estator; durante el giro de los tornillos, las cámaras de trabajo se desplazan, junto con el líquido, a lo largo de los ejes de rotación.

Bomba de tornillo simple con regulación de la capacidad de volumen desplazado mediante válvula deslizante

El perfil de los tornillos es tal que los conducidos se descargan completamente, accionados por el conductor que es el que realiza el trabajo de desplazamiento, actuando éste, al mismo tiempo, como rotor y como desplazador. Los tornillos conducidos desempeñan la misión de separar las cavidades de admisión e impulsión, pero sin desalojar al líquido.

Bomba de tornillo doble

Bomba de tornillo doble; vista de conjunto

Esquema de bomba helicoidal de 3 tornillos

Las bombas de tres tornillos son capaces de crear presiones entre 100 y 200 kg/cm2; cuanto mayor sea la presión, tanto más larga tiene que ser la vía de traslación de las cámaras de trabajo y, en consecuencia, más largos deberán ser los tornillos.

La longitud mínima de los tornillos, necesaria para conseguir una hermeticidad estable en la bomba, se considera igual a 1,25 t aunque en la práctica y dependiendo de la presión requerida, esta longitud se elige entre 1,5 < t < 1,8.

Esta bomba posee unas curvas características de suministro bastante uniformes, siendo capaz de trabajar a altas revoluciones, entre 3.000 y 5.000 rpm, distinguiéndose por un funcionamiento silencioso y seguro, pero tiene problemas parecidos a los planteados en la bomba de engranajes ya que es imposible regular el volumen de trabajo durante el movimiento.

En general, la fabricación de la bomba helicoidal es complicada.

A veces se utilizan bombas de dos tornillos o de un tornillo, pero sus características son inferiores a las de tres tornillos con perfil cicloidal, sobre todo a la hora de conseguir y asegurar un alto grado de hermeticidad.

2.1.2.6 Bombas de alabes

Las bombas de alabes consisten en un conjunto de cuatro o más aletas con cinemática plana (radial), el rotor es un cilindro hueco con ranuras radiales en las que oscilan o deslizan las aletas, que son los desplazadores.

El rotor va dispuesto en forma excéntrica respecto a la superficie interior del estator que es cilíndrica, debido a lo cual, las aletas, durante la rotación del rotor, realizan movimientos alternativos o de vaivén respecto al rotor.

Observándose que con este mecanismo el grado de hermeticidad no puede ser grande, por cuanto la separación entre las cámaras de aspiración y de impulsión se efectúa sólo por contacto del borde de las aletas con el estator, y esto hace que las presiones creadas por la bomba de aletas sean, en general, inferiores a las creadas por otras bombas rotativas. Se puede aumentar la presión aumentando el número de aletas, o también, mejorando el contacto aletas-estator.

2.1.2.7 Bombas cavidad progresiva

El Bombeo por Cavidad Progresiva proporciona un método de levantamiento artificial que se puede utilizar en la producción de fluidos muy viscosos y posee pocas partes móviles por lo que su mantenimiento es relativamente sencillo.

Un sistema BCP consta básicamente de un cabezal de accionamiento en superficie y una bomba de fondo compuesta de un rotor de acero, en forma helicoidal de paso simple y sección circular, que gira dentro de un estator de elastómero vulcanizado.

La operación de la bomba es sencilla; a medida que el rotor gira excéntricamente dentro del estator, se van formando cavidades selladas entre las superficies de ambos, para mover el fluido desde la succión de la bomba hasta su descarga.

El estator va en el fondo del pozo enroscado a la tubería de producción con un empaque no sellante en su parte superior. El diámetro de este empaque debe ser lo suficientemente grande como para permitir el paso de fluidos a la descarga de la bomba sin presentar restricción de ningún tipo, y lo suficientemente pequeño como para no permitir el paso libre de los acoples de la extensión del rotor.

El rotor va roscado en las varillas por medio del niple espaciador o intermedio, las varillas son las que proporcionan el movimiento desde la superficie hasta la cabeza del rotor. La geometría del conjunto es tal, que forma una serie de cavidades idénticas y separadas entre si. Cuando el rotor gira en el interior del estator estas cavidades se desplazan axialmente desde el fondo del estator hasta la descarga generando de esta manera el bombeo por cavidades progresivas. Debido a que las cavidades están hidráulicamente selladas entre sí, el tipo de bombeo es de desplazamiento positivo.

La instalación de superficie está compuesta por un cabezal de rotación, que está conformado, por el sistema de trasmisión y el sistema de frenado. Estos sistemas proporcionan la potencia necesaria para poner en funcionamiento al a bomba de cavidades progresivas.

Otro elemento importante en este tipo de instalaciones es el sistema de anclaje, que debe impedir el movimiento rotativo del equipo ya que, de lo contrario, no existirá acción de bombeo. En vista de esto,

debe conocerse la torsión máxima que puede soportar este mecanismo a fin de evitar daños innecesarios y mala operación del sistema.

El niple de asentamiento o zapato, en el que va instalado y asegurado al sistema de anclaje, se conecta a la tubería de producción permanentemente con lo cual es posible asentar y desasentar la bomba tantas veces como sea necesario.

Tipos de instalación BPC.

1 Instalación convencional.

En la instalación convencional, primero se baja la tubería de producción se la ancla con un packers luego de la fijación se baja el estator y rotor que son instalados de forma separada; en este tipo de instalación se demora y consume más tiempo y en consecuencia mayor inversión, las varillas son las que proporcionan el movimiento giratorio, son enroscadas al rotor generando el movimiento giratorio que el sistema exige para ponerse en marcha.

Este tipo de instalación hoy en día ya no es tan usada por el tiempo que consume, mientras que la instalación insertable es el que lo ha suplantado.

Instalación Insertable.

En la configuración de bombas insertables el estator se baja al fondo del pozo conjuntamente con el resto del sistema de subsuelo. En otras palabras, la bomba completa es instalada con la sarta de varillas sin necesidad de remover la columna de tubería de producción, minimizando el tiempo de intervención y, en consecuencia, el costo asociado ha dicho trabajo.

La bomba es la misma que en la configuración convencional con la diferencia de que viene adaptada a un sistema de acople que permite obtener un equipo totalmente ensamblado como una sola pieza. Al rotor se le conecta una extensión de varilla la cual sirve como apoyo al momento de espaciado de la bomba. Los acoples superior e inferior de esta extensión sirven de guía y soporte para la instalación de este sistema.

Ventajas:

Los sistemas BCP tienen algunas características únicas que los hacen ventajosos con respecto a otros métodos de levantamiento artificial, una de sus cualidades más importantes es su alta eficiencia total. Típicamente se obtienen eficiencias entre 50 y 60 %. Otras ventajas adicionales de los sistemas BCP son:

1. Producción de fluidos altamente viscosos (2000-500000) centipoises;2. La inversión de capital es del orden del 50% al 25% del de las unidades convencionales de

bombeo, dependiendo del tamaño, debido a la simplicidad y a las pequeñas dimensiones del cabezal de accionamiento;

3. Los costos operativos son también mucho más bajos. Se señala ahorros de energía de hasta 60% al 75% comparado con unidades convencionales de bombeo eficiente. El sistema de accionamiento es también eficiente a causa de que la varillas de bombeo no se levantan y bajan, solo giran;

4. Los costos de transporte son también mínimos, la unidad completa puede ser transportada con una camioneta;

5. Opera eficientemente con arena debido a la resiliencia del material del estator y al mecanismo de bombeo;

6. La presencia de gas no bloquea la bomba, pero el gas libre a la succión resta parte de su capacidad, como sucede con cualquier bomba, causando una aparente ineficiencia;

7. Amplio rango de producción para cada modelo, rangos de velocidades recomendados desde 25 hasta 500 RPM, lo que da una relación de 20 a 1 en los caudales obtenidos. Este rango se puede obtener sin cambio de equipo.

8. La ausencia de pulsaciones en la formación cercana al pozo generará menor producción de arena de yacimientos no consolidados. La producción de flujo constante hacen más fácil la instrumentación;

9. El esfuerzo constante en la sarta con movimientos mínimos disminuye el riesgo de fallas por fatiga y la pesca de varillas de bombeo;

10. Su pequeño tamaño y limitado uso de espacio en superficies, hacen que la unidad BPC sea perfectamente adecuada para locaciones con pozos múltiples y plataformas de producción costa fuera;

11. El bajo nivel de ruido y pequeño impacto visual la hace ideal para áreas urbanas;12. Ausencia de partes reciprocantes evitando bloqueo o desgaste de las partes móviles; y13. Simple instalación y operación.

Desventajas:

Los sistemas BCP también tienen algunas desventajas en comparación con los otros métodos. La más significativa de estas limitaciones se refiere a las capacidades de desplazamiento y levantamiento de la bomba, así como la compatibilidad de los elastómeros con ciertos fluidos producidos, especialmente con el contenido de componentes aromáticos. A continuación se presentan varias de las desventajas de los sistemas BCP:

1. Resistencia a la temperatura de hasta 280°F o 138°C (máxima de 350°F o 178°C);2. Alta sensibilidad a los fluidos producidos (elastómeros pueden hincharse o deteriorarse con el

contacto de ciertos fluidos por períodos prolongados de tiempo);3. Tendencia del estator a daño considerable cuando la bomba trabaja en seco por períodos de

tiempo relativamente cortos (que cuando se obstruye la succión de la bomba, el equipo comienza a trabajar en seco);

4. Desgaste por contacto entre las varilla y la cañería de producción en pozos direccionales y horizontales; y

5. Requieren la remoción de la tubería de producción para sustituir la bomba (ya sea por falla, por adecuación o por cambio de sistema).

Sin embargo, estas limitaciones están siendo superadas cada día con el desarrollo de nuevos productos y el mejoramiento de los materiales y diseño de los equipos. En su aplicación correcta, los sistemas de bombeo por cavidades progresivas proveen el más económico método de levantamiento artificial si se configura y opera apropiadamente.

2.2.1 Bombas centrifugas:

Las bombas centrífugas prevén su nombre al hecho de que elevar el líquido por la acción de la fuerza centrífuga, que la imprime un rotor, colocado en su interior, el cual es accionado por un motor eléctrico. Un físico francés fue el primero que ideó las características esenciales de este tipo de bomba, la cual ha ido evolucionando a través de numerosos patentes. Toda una centrífuga, consta de un rotor de pocos a la vez fijos, el cual gira dentro de la caja envolvente, generalmente de forma espiral.

El líquido proveniente de la cañería en que la por el centro del rotor, al girar bruscamente a la masa líquida una fuerza centrífuga, que lo hace salida que los canales situados entre los alavés, y la envoltura de la caja donde progresivamente la a energía cinética de la corriente líquida se transforma en energía potencial de presión. Así como la turbina Francis evolucionó hacia la turbina a hélice, con la necesidad de generar más revoluciones, las bombas centrífugas evolucionaron a las bombas de hélice o de flujo axial, como inconveniencia de ir aumentando el diámetro del eje del rotor, para permitir el ingreso de mayores caudales.

Así cuando se desea obtener mayores caudales se dispone de unos o más rotores sobre el mismo árbol motor. Las bombas centrífugas, debido a sus características, son las bombas que más se aplican en la industria. Las razones de estas preferencias son las siguientes:

1. Son aparatos giratorios.2. No tienen órganos articulados y los mecanismos de acoplamiento son muy sencillos.3. La impulsión eléctrica del motor que la mueve es bastante sencilla.4. Para una operación definida, el gasto es constante y no se requiere dispositivo regulador.5. Se adaptan con facilidad a muchas circunstancias. Aparte de las ventajas ya enumeradas, se

unen las siguientes ventajas económicas:6. El precio de una bomba centrífuga es aproximadamente ¼ del precio de la bomba de émbolo7. El espacio requerido es aproximadamente 1/8 del de la bomba de émbolo equivalente.8. El peso es muy pequeño y por lo tanto las cimentaciones también lo son.9. El mantenimiento de una bomba centrífuga sólo se reduce a renovar el aceite de las chumaceras

los empaques de la presa-estopa y el número de elementos a cambiar es muy pequeño.

FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

Las bombas centrífugas mueven un cierto volumen de líquido entre dos niveles; son pues, máquinas hidráulicas que transforman un trabajo mecánico en otro de tipo hidráulico. Los elementos constructivos de que constan son:

a) Una tubería de aspiración, que concluye prácticamente en la brida de aspiración.

b) El impulsor o rodete, formado por una serie de alabes de diversas formas que giran dentro de una carcasa circular. El rodete va unido solidariamente al eje y es la parte móvil de la bomba. El líquido penetra axialmente por la tubería de aspiración hasta el centro del rodete, que es accionado por un motor, experimentando un cambio de dirección más o menos brusco, pasando a radial, (en las centrífugas), o permaneciendo axial, (en las axiales), adquiriendo una aceleración y absorbiendo un trabajo.

Los alabes del rodete someten a las partículas de líquido a un movimiento de rotación muy rápido, siendo proyectadas hacia el exterior por la fuerza centrífuga, de forma que abandonan el rodete hacia la voluta a gran velocidad, aumentando su presión en el impulsor según la distancia al eje.

La elevación del líquido se produce por la reacción entre éste y el rodete sometido al movimiento de rotación; en la voluta se transforma parte de la energía dinámica adquirida en el rodete, en energía de presión, siendo lanzados los filetes líquidos contra las paredes del cuerpo de bomba y evacuados por la tubería de impulsión.

La carcasa, (voluta), está dispuesta en forma de caracol, de tal manera, que la separación entre ella y el rodete es mínima en la parte superior; la separación va aumentando hasta que las partículas líquidas se encuentran frente a la abertura de impulsión; en algunas bombas existe, a la salida del rodete, una directriz de alabes que guía el líquido a la salida del impulsor antes de introducirlo en la voluta.

c) Una tubería de impulsión.- La finalidad de la voluta es la de recoger el líquido a gran velocidad, cambiar la dirección de su movimiento y encaminarle hacia la brida de impulsión de la bomba. La voluta es también un transformador de energía, ya que disminuye la velocidad (transforma parte de la energía dinámica creada en el rodete en energía de presión), aumentando la presión del líquido a medida que el espacio entre el rodete y la carcasa aumenta.

Este es, en general, el funcionamiento de una bomba centrífuga aunque existen distintos tipos y variantes. La estructura de las bombas centrífugas es análoga a la de las turbinas hidráulicas, salvo que el proceso energético es inverso; en las turbinas se aprovecha la altura de un salto hidráulico para generar una velocidad de rotación en la rueda, mientras que en las bombas centrífugas la velocidad comunicada por el rodete al líquido se transforma, en parte, en presión, lográndose así su desplazamiento y posterior elevación.

Impulsor en voladizo

Impulsor entre rodamientos

Tipo turbina

Bomba centrifuga multietapa

La bomba MS es una bomba centrífuga multiturbina. Este tipo de bombas se utilizan para el bombeo de fluidos a bajo caudal y alta presión consiguiendo un rendimiento muy superior a las bombas centrífugas de una sola etapa. Algunas de sus aplicaciones son procesos en la industria láctea y bebidas como alimentación de filtros, sistemas de llenado y alimentación de intercambiadores. También se puede utilizar en el bombeo de agua potable o de proceso, sistemas de limpieza CIP y en la industria textil.

2.2.2 Efecto especial

Las bombas capaces de soportar el servicio con metales líquidos se conocen como bombas electromagnéticas. La fuerza impulsora en las bombas electromagnéticas no proviene de un sistema impulsor mecánico a base de pistón. La fuerza ejercida sobre el metal líquido proviene de la aplicación inteligente de los principios del electromagnetismo. Los metales líquidos son conductores eléctricos. Si por ellos circula una corriente eléctrica en presencia de un campo magnético, se produce el mismo

fenómeno que ocurre en los motores eléctricos. La interacción de los dos campos, eléctrica y magnética, origina la aparición de una fuerza sobre el metal líquido. Existen varios procedimientos para hacer circular una corriente por el metal líquido y para crear el campo magnético externo necesario, al igual que ocurre en las máquinas eléctricas tradicionales. Pero la característica más importante, común a todos los tipos de bombas electromagnéticas es la ausencia de partes móviles en contacto con el metal líquido.

2.2.3 Centrifuga reversible:

Bomba centrífuga reversible, que partiendo de las bombas centrífugas convencionales de rotor húmedo o seco, permite variar el sentido de circulación de los fluidos en instalaciones fijas desde la misma bomba, pues el cambio se realiza al dirigir con éste dispositivo el sentido de impulsión. Esta variación la produce una la pieza, que pasa de ser un simple cuerpo de bomba, (donde se encuentra la voluta propia de las bombas centrífugas) a tener la capacidad de dirigir, e incluso de cerrar, el paso del fluido.

Las conexiones que antes se fijaban al cuerpo de bomba, sin posibilidad de movimiento, ahora se sitúan en otra carcasa, que aloja a la pieza y en su fondo permite el acoplamiento de un eje con su correspondiente prensa estopas; es éste eje, quien con el actuador correspondiente, maneta o motor, posiciona las bocas de la pieza según se necesiten.

La turbina, unida al eje de motor, puede funcionar en cualquiera de las posiciones que tome la pieza, pues es independiente de dicha pieza. La Bomba centrífuga reversible, que según el número de bocas que se coloquen en la pieza, así se podrá utilizar la bomba para distintos circuitos o variaciones en la posición de cada boca de conexión, si alguna aplicación lo requiere.

2.2.4 Turbina regenerativa

En este tipo se producen remolinos en el líquido por medio de los álabes a velocidades muy altas, dentro del canal anular donde gira el impulsor. El líquido va recibiendo impulsos de energía no se debe confundir a las bombas tipo difusor de pozo profundo, llamadas frecuentemente bombas turbinas aunque no se asemeja en nada a la bomba periférica.

3. Áreas de aplicación

A continuación se nombrarán las diversas aplicaciones de las bombas. Ahora pasaremos a examinar algunas de las industrias, sistemas y procesos donde las bombas desempeñan un papel de suma importancia. Desde luego el tema es demasiado largo para cubrirlo completamente, las descripciones que se darán tienen por objetivo proporcionar una idea general de la variedad de equipos de bombeo empleados en los servicios públicos e industrias, para satisfacer sus necesidades.

PLANTAS TERMOELÉCTRICAS

Los elementos básicos de una planta termoeléctrica son la caldera y el grupo turbogenerador. A fin de mejorar el ciclo básico se conecta un condensador en la descarga de la turbina, el ciclo de alimentación de agua a la caldera y de condensado requiere un mínimo de tres bombas: la bomba de condensado que envía el agua desde el condensador hasta los calentadores, la bomba de alimentación a la caldera, y la bomba de circulación que impulsa el agua fría a través de los tubos del condensador, con, lo que se logra condensar el vapor.

PLANTAS DE ALMACENAMIENTO

Debido a que los recursos hidroeléctricos son cada día más escasos en el mundo, fue necesario construir plantas de almacenamiento con turbobombas, que trabajan como turbinas en los momentos en que la carga del sistema es más alta, y como bombas cuando la carga del sistema es baja.

PLANTAS DE ENERGÍA NUCLEAR

La característica principal de las bombas usadas en plantas nucleares es la máxima reducción de fugas, para evitar cualquier posibilidad de contaminación con material radioactivo, la segunda característica es la confiabilidad del equipo. Los líquidos manejados incluyen agua pesada, agua radioactiva, sodio líquido, lodos radiactivos. El continuo aumento de plantas nucleares para la generación de energía eléctrica requiere que se construyan más, y mayores bombas, diseños nuevos que permitan reducir el costo total de este tipo de centrales.

SERVICIO PARA LA MARINA

Los servicios de las bombas son de suma importancia en los barcos tanto mercantes, militares o de pasajeros. Las bombas centrífugas se usan para servicios auxiliares de condensador, drenajes atmosféricos, desperdicios, alimentación de calderas, salmueras, circulación, agua potable, protección de incendio, agua fresca y servicios generales.

AERONÁUTICA

Una rama de ingeniería tan moderna, complicada y exacta como la aeronáutica, no puede prescindir de equipos de bombeo. Las bombas se usan en los sistemas de mando, de calefacción, de refrigeración, lubricación, etc. Pero no solo son importantes los sistemas de bombeo de las unidades en vuelo, sino también los que se usan en las instalaciones de diseño y prueba de aviones.

INDUSTRIA QUÍMICA

La industria química es la que presenta problemas de bombeo más complejos y la que requiere bombas para manejar sustancias de diferente naturaleza. Las materias primas en estado líquido generalmente son abastecidas en carros tanque de donde deben bombearse a través de diferentes partes del sistema de tubería, las bombas centrífugas se usan en las plantas químicas para manejar aproximadamente el 90% de los líquidos corrosivos, la razón de esto, es la ventaja que presentan de trabajar con holguras más amplias, lo cual es de gran importancia cuando se usan aleaciones inoxidables.

INDUSTRIA PETROLERA

El transporte de líquidos en la industria petrolera se hace a través de miles de kilómetros en el mundo entero, tanto en oleoductos y gasoductos. En ciertos casos el ducto puede servir para transportar diferentes fluidos, las estaciones de bombeo están instaladas a intervalos adecuados, a lo largo del ducto, pues aún en terreno plano las cargas de fricción son grandes y se requieren bombas de alta presión.

REFINACIÓN

El proceso de refinación es uno de los procesos industriales más complejos y el que requiere mayor variedad de bombas. Los productos que se manejan en una refinería tienen densidades que varían desde 0.6 a mayores que 1.0; viscosidades menores que las del agua y otras tan altas que ni siquiera las bombas centrífugas las pueden manejar; las temperaturas llegan a 850 ºF, y las presiones alcanzan hasta 1200 Psi.

INDUSTRIA PAPELERA

El papel se fabrica a partir de la celulosa obtenida de diferentes tipos de madera, caña de azúcar, desperdicios de papel, etc. Existen fábricas de pulpa de papel, papel y otros que elaboran ambos productos. La manufacturera de la pulpa consiste en separar fibras de celulosa y transformarlas en una pasta adecuada para la manufactura de papel, cartón, celofán y gran variedad

de otros productos. Una fábrica de pulpa utiliza bombas que manejan líquidos tales como agua, ácidos. En algunos casos se necesita una bomba auxiliar especial o un alimentador tipo tornillo que ayuda a la pulpa de alta consistencia a entrar a la bomba.

INDUSTRIA TEXTIL

Las bombas de fábricas textiles manejan colorantes, agua, sulfuro de carbono, ácidos, sosa cáustica, acetatos, alcoholes, sales, engomado entre otros. Se usan muchas bombas de medición y dosificación en las aplicaciones textiles para manejar soluciones de decolorantes, control de PH del agua de lavado de las fibras sintéticas, etc.

INDUSTRIA DEL HULE

Las Bombas Centrífugas son las más comunes en este tipo de industria, los líquidos bombeados son: solventes, aceites suavizadores, modificadores, catalizadores, salmuera, látex, etc. Esta industria tiene un desarrollo paralelo a la petro-química y a la automovilística.

MINERIA Y CONSTRUCCIÓN

Las bombas que se usan en estas actividades, especialmente manejan líquidos con sólidos en suspensión. Las aplicaciones en minería de carbón incluyen eliminación de agua, alimentación de filtros, manejo de productos pesados, bombeo de sumideros de carbón, etc.

En los diferentes procesos de la minería, tanto de materiales metálicos como no metálicos, las bombas se usan en las fases del proceso de beneficio, alimentación de clasificadores, recuperación de productos entre otros.

En construcción se usan bombas centrífugas portátiles accionadas por motores de combustión interna, ya que en el lugar de la construcción generalmente se carece de energía eléctrica suficiente.

INDUSTRIA SIDERÚRGICA

Las principales aplicaciones de las bombas centrífugas en la industria siderúrgica son: enfriamiento de molinos, enfriamiento de hornos, servicios de suministro de agua, remoción de escorias en los lingotes, etc.

Debido a que la industria siderúrgica tiene procesos continuos se requieren más bombas duraderas lo cual obliga al fabricante a usar materiales de alta resistencia. En cualquier país la industria siderúrgica es uno de los mayores consumidores de equipos de bombeo.

CALEFACCIÓN

Los sistemas de calefacción de edificios requieren bombas de circulación de agua caliente y en algunos casos, unidades para el retorno de condensados. Para ello se usan bombas centrífugas pequeñas.

SISTEMAS DE SUMINISTRO DE AGUA POTABLE

En esta última parte del siglo XX, el agua potable constituye uno de los líquidos más preciados. El constante aumento de la población y el agotamiento de los recursos naturales cercanos agravan el

problema. Por ello aumentan constantemente los caudales de líquido que se necesita bombear desde lugares cada vez más distantes, en este caso las bombas centrífugas son las más usadas.

SISTEMAS DE AGUA RESIDUALES

Las bombas que manejan aguas residuales tanto en pequeños sistemas industriales como en los grandes de bombeo de aguas negras a las ciudades, son bombas centrífugas de flujo mixto o de flujo axial que pueden manejar gastos elevados con presiones elevadas.

INDUSTRIA ALIMENTÍCIA

Generalmente las bombas para el manejo de alimentos o bombas sanitarias como también se les conoce, deben tener características especiales que no son necesarias en otros tipos de servicio. Están hechas de acero inoxidable, monel, aluminio, cristal, porcelana u otras aleaciones, para evitar que las aletas del impulsor dañen la apariencia de los alimentos, las bombas centrífugas usadas en esta industria tienen impulsores con solo una o dos aletas, y a menudo se fabrican con el impulsor del tipo caracol, sin aletas.

4. Criterios de selección de una bomba

En la práctica es necesario un conocimiento completo del sistema y de sus posibles variantes. Por ejemplo, para extraer agua de un pozo se puede utilizar:

A Una bomba en el exterior. Debe tener un NPSHr adecuado y ser autocebante. En caso contrario deberá instalarse un sistema de cebado.

B Una bomba vertical con el motor exterior, pero la bomba, o al menos la primera etapa, sumergida. No hay problemas de cavitación, pero la sujeción de la bomba es más complicada.

C Una bomba totalmente sumergida. El motor debe ser estanco. Es aconsejable hacer una revisión de los catálogos disponibles o, mejor aún, hacer la selección conjuntamente con los fabricantes, para decidir qué producto de su gama se adapta mejor a las necesidades planteadas.

Aparte del caudal y la altura, algunas características del sistema que van a influir en la elección de la bomba son:

A La posición de la bomba, ya comentada, que afecta el NPSHd y al cebado.

B El diámetro de las tuberías, que determina las pérdidas de carga y, por tanto, el punto de operación.

C El número y disposición -serie o paralelo- de las bombas.

D El sistema y rango de regulación.

E Bombeo de líquidos viscosos. Afecta al punto de operación y a la potencia.

F Bombeo de pastas o líquidos con sólidos en suspensión. Se necesitan rodetes especiales.

G Bombeo de líquidos corrosivos o similares que exijan materiales o recubrimientos especiales. El rango de regulación es un parámetro que influye en la pendiente de la curva característica a buscar. Si las variaciones de caudal van a ser grandes, interesa una curva lo más horizontal posible.

Sin embargo, si se quiere que el caudal permanezca constante, la curva debe ser vertical. En el primer caso son más adecuados las máquinas de baja velocidad específica: centrífugas, con doble aspiración, varias bombas en paralelo... En el segundo caso son mejores las de alta velocidad específica: mixtas o axiales, de varias etapas, bombas en serie...

RENDIMIENTO ÓPTIMO

Salvo las bombas pequeñas o para aplicaciones especiales, uno de los parámetros más importantes es que la bomba tenga un rendimiento óptimo lo más cerca posible del punto de trabajo habitual. No resulta rentable elegir una bomba sobredimensionada con vistas a posibles ampliaciones futuras del sistema.

Las pérdidas, sobre todo en el caso de funcionamiento continuo, pueden ser mucho mayores que el coste de la propia bomba. Considérese, por ejemplo, una bomba de 100 kW, con un rendimiento máximo del 85%. Si trabaja 7000 horas al año, un poco apartada del punto de diseño, con un rendimiento un 5% menor y el precio del kW/h es de 12 pta, supone unas pérdidas anuales de ¡420.000 pta.! En dos o tres años se amortizaría una bomba nueva.

5. Criterios de diseño de un sistema de bombeo

Un sistema de bombeo consiste en un conjunto de elementos que permiten el transporte a través de tuberías y el almacenamiento temporal de los fluidos, de forma que se cumplan las especificaciones de caudal y presión necesarias en los diferentes sistemas y procesos. Esta publicación se limita al estudio del transporte de fluidos newtonianos incompresibles, y más concretamente de líquidos.

ELEMENTOS TÍPICOS Y EJEMPLOS

En un sistema típico, además de las tuberías que enlazan los puntos de origen y destino, son necesarios otros elementos. Algunos de ellos proporcionan la energía necesaria para el transporte: bombas, lugares de almacenamiento y depósitos. Otros son elementos de regulación y control: válvulas y equipos de medida. Las figuras muestran algunos ejemplos típicos de sistemas utilizados.

PROBLEMAS DE DISEÑO Y OPERACIÓN

La especificación básica que debe satisfacer un sistema de bombeo es el transporte de un caudal de un determinado fluido de un lugar a otro. Además, suele ser necesario que el fluido llegue al lugar de destino con una cierta presión, y que el sistema permita un rango de variación tanto del caudal como de la presión.

El diseño de un sistema de bombeo consiste en el cálculo y/o selección de las tuberías, bombas, etc., que permitan cumplir las especificaciones de la forma más económica posible. De todas formas, aunque el dinero suele ser una parte muy importante al final de un diseño, para que esté correctamente realizado es necesario contemplar otros aspectos como la seguridad, fiabilidad, facilidad de mantenimiento, impacto ambiental y otros factores humanos, que en muchos casos quedan fuera del ámbito del presente estudio.

En cuanto a la operación de un sistema de bombeo, hay que tener en cuenta los sistemas de regulación y control que permitan obtener el caudal y la presión deseados, así como los problemas de cavitación, inestabilidades y transitorios que se puedan producir.

6. ¿En qué consiste la cavitación?

La cavitación es un fenómeno muy importante de la mecánica de los fluidos y de particular influencia en el funcionamiento de toda máquina hidráulica.

En las últimas décadas la tecnología del diseño de turbinas y bombas centrífugas ha tenido un avance importante, el cual sumado a los incrementos en los costos de fabricación, ha llevado a desarrollar equipos con mayores velocidades específicas para minimizar esta Influencia, lo que determina un incremento en el riesgo de problemas en la succión, especialmente cuando operan fuera de su condición de diseño.

Cuando una persona se encuentra ante el problema de seleccionar una turbina o bomba adecuada, generalmente recurre a aquella que le brinda el mayor rendimiento, con la menor inversión inicial. Si en la etapa previa sólo se suministran los valores de caudal, la altura de impulsión y el fluido la selección del equipo quedará en manos del fabricante que tratará de cotizar el equipo de menor precio.

Pero, no existirán otros parámetros que deban ser tomados en cuenta Claro que sí, nadie como el usuario ha de conocer la instalación por la cual ha de operar la bomba y es más, es probable que el sistema diseñado para la succión, debido a una solución económica exigida, haga que no se encuentre en el mercado la bomba que pueda garantizarle en rendimiento sin problemas en el futuro.

Este capítulo pretende dar un panorama general sobre el fenómeno, su mecánica y los últimos avances en investigación sobre el tema. Además se presentan los diferentes coeficientes que

caracterizan al fenómeno y que influirán en la selección de una bomba y en el diseño de un sistema de bombeo.

CAVITACION se entiende la formación de bolsas localizadas de vapor dentro del líquido, pero casi siempre en las proximidades de las superficies sólidas que limitan el líquido. En contraste con la ebullición, la cual puede ser causada por la introducción de calor o por una reducción de la presión estática ambiente del líquido, la CAVITACION es una vaporización local del líquido, inducido por una reducción hidrodinámica de la presión.

Comparación entre Ebullición y Cavitación

Esta zona de vaporización local puede ser estable o pulsante, y esto altera usualmente el campo normal del flujo. Este fenómeno se caracteriza, entonces, por la formación de bolsas (de vapor y gas) en el interior y junto a los contornos de una corriente fluida en rápido movimiento.

La condición física fundamental para la aparición de la cavitación es, evidentemente, que la presión en el punto de formación de estas bolsas caiga hasta la tensión de vapor del fluido en cuestión. Puesto que las diferencias de presión en máquinas que trabajan con líquido son normalmente del mismo orden que las presiones absolutas, es claro que esta condición puede ocurrir fácilmente y con agua fría, donde la presión de vapor es de alrededor de 20 cm sobre el cero absoluto.

Las regiones de depresión local solo pueden existir como consecuencia de la acción dinámica del movimiento, y una forma de esta acción proviene de la inevitable conversión de la presión en energía cinética. Las consecuencias ó, mejor dicho, los fenómenos acompañantes de la cavitación, tal como

pérdida de sólidos en las superficies límites (llamado erosión por cavitación o PITTING), ruidos generados sobre un ancho espectro de frecuencias (frecuencia de golpeteo: 25.000 c/s), vibraciones, pérdidas y alteraciones de las propiedades hidrodinámicas pueden con pocas excepciones ser consideradas como perjudiciales y por lo tanto indeseables. Por lo tanto este fenómeno debe ser evitado o, como mínimo, puesto bajo control.

Los efectos no perjudiciales de la cavitación incluyen su uso para limpieza, o en bombas de condensación donde la cavitación puede ser utilizada como regulador de flujo. La cavitación destruirá toda clase de sólidos: los metales duros, concreto, cuarzo, metales nobles, etc. Sin embargo la cavitación no constituye un fenómeno inevitable, sino un efecto que debe ser juzgado y evaluado desde el punto de vista económico.

En el caso de las turbomáquinas hidráulicas la cavitación es un factor determinante, marcando el límite más bajo para el tamaño de la máquina y también el límite más alto para la velocidad del flujo medio (velocidad periférica del rotor).De este modo, para una dada altura y un dado caudal la máquina con el más alto Número Específico (Velocidad Específica) tendrá menores dimensiones, menor peso y más bajo costo; pero por otro lado, la cavitación marca un límite superior para la velocidad específica que no debe ser excedido.

La cavitación se divide en el proceso de formación de burbujas y en el de implosión de las mismas.

Resistencia a la Tracción y Nucleación

De acuerdo a lo expuesto surge el interrogante de cómo aparecen estas burbujas aparecen. A fin de producir una cavidad en un líquido, debe primero ser estirado y posterior mente desgarrado. Si el líquido es considerado como un sólido, esto es inducido por un esfuerzo detracción.

Por lo tanto, la facultad de un líquido de soportar este esfuerzo de tracción es llamado RESISTENCIA A LA TRACCION. La figura muestra la capacidad del agua de tener una presión negativa

Estos son valores mínimos teóricos para agua absolutamente pura. Así, bajo ciertas condiciones el agua pura puede soportar muy altas tensiones de tracción, o presiones negativas, mucho más bajas que la presión de vaporización.

Esta clase de agua, capaz de soportar tensiones de tracción de más de 250 bar a temperatura ambiente, (125.000 veces más bajas que la presión de vapor) puede ser producida solamente en laboratorios altamente especializados.

Bajo tensiones de tracción un líquido generalmente se separa a la presión de vapor. El hecho de que las tensiones de tracción antes mencionadas, y que el comienzo de la cavitación se produzca con el arribo a la tensión de vapor, conduce a la suposición de que las impurezas deben estar presentes en el líquido. Estos son comúnmente llamados NUCLEOS. El inicio de la cavitación se debe a dichos puntos de "rotura del líquido llamados "cavidades" (de aquí el nombre del fenómeno).La tensión necesaria para "romper" o "fracturar" el líquido, es decir vencer a las fuerzas de cohesión intermoleculares es, como se dijo anteriormente, enorme. Cálculos teóricos, como los de Fisher [3] los cuantifican, para el agua pura a 10ºC en 1000 bar; aunque resultados experimentales como los de Briggs [2] lo han logrado a 277 bar.

Pero el fenómeno de cavitación ocurre precisamente a bajas presiones, ello quiere decir que en la práctica los líquidos ya están "desgarrados". A estas fracturas previas se las denomina "núcleos de cavitación" mencionados anteriormente, y son los iniciadores del proceso. Estos núcleos son diminutas burbujas de gases adheridas a materiales sólidos presentes en los líquidos, burbujas retenidas en fisuras en los conductos de transporte del mismo, o gases absorbidos por el líquido.

Estos núcleos al ser sometidos a una zona de baja presión comienzan a expandirse. Si aún sigue disminuyendo la presión en una magnitud tal que se alcance la presión de vapor del fluido a la temperatura respectiva, entonces el líquido que rodea a este núcleo (micro burbuja) se vaporiza y comienza a crecer hasta que se hace visible en forma de burbuja.

Si en el líquido hay disuelto otros gases, ellos también pueden colaborar en formar esta cavidad por difusión de los mismos, cuando las condiciones físicas (de presión y temperatura) lo permitan.

TIPOS DE CAVITACION:

Por lo dicho precedentemente hay dos tipos de cavitación, uno con flujo y otro estando el líquido estático:

(a) Cavitación por flujo

(b) Cavitación por ondas

Ejemplos del tipo (a) los tenemos en tuberías donde la presión estática del líquido alcanza valores próximos al de la presión de vapor del mismo, tal como puede ocurrir en la garganta de un tubo Venturi, a la entrada del rodete de una bomba centrífuga o a la salida del rodete de una turbina hidráulica de reacción.

Los ejemplos del tipo (b) aparecen cuando estando el líquido en reposo, por él se propagan ondas, como las ultrasónicas denominándose Cavitación Acústica, o típicas ondas por reflexión sobre paredes o superficies libres debido a ondas de compresión o expansión fruto de explosiones y otras perturbaciones como en el caso del golpe de ariete, denominadas Cavitación por Shock

CONTENIDO DE AIRE

Los altos contenidos de gas parecen favorecer el comienzo de la cavitación, debido a que originan una mayor cantidad de burbujas. Por otra parte un contenido levado de aire (presión parcial de aire) disminuye la velocidad de implosión Con un contenido bajo de gas se demora el comienzo de la cavitación, ya que la resistencia a la tracción del agua en este caso comienza a jugar un papel considerable.

Para un contenido de un 10% del valor de saturación la cavitación comienza al alcanzar la presión de vapor. Con elevados contenidos de aire la presión para el comienzo de la cavitación es superior a la presión de vapor, ya que en este caso el crecimiento de las burbujas está favorecido por la difusión de gas en el líquido [6].

IMPLOSION DE LA BURBUJA

La bolsa, ya aumentada de tamaño, es arrastrada a una región de mayor presión y finalmente estalla, mejor dicho, IMPLOTA. Esta acción periódica está generalmente asociada a un fuerte ruido crepitante.

El aumento de tamaño de las burbujas o bolsas reduce los pasajes aumentando así la velocidad de escurrimiento y disminuyendo por lo tanto más aun la presión. Tan pronto como la presión en la corriente supera la tensión de vapor después de pasar la sección más estrecha, se produce la condensación y el colapso de la burbuja de vapor. La condensación tiene lugar instantáneamente. El agua que rodea a las burbujas que estallan golpea entonces las paredes u otras partes del fluido, sin amortiguación alguna.

Teniendo en cuenta la condensación del vapor, con distribución espacial uniforme y ocurriendo en un tiempo muy corto, puede ser tomado por cierto que las burbujas no colapsan concéntricamente. Se ha analizado el desarrollo de una burbuja en la vecindad de una pared, teóricamente, y calculado el tiempo de implosión y la presión demostrándose que la tensión superficial acelera la implosión y aumenta los efectos de la presión.

Muchos efectos trae aparejado el colapso de la burbuja, relacionados con los diferentes parámetros tales como la influencia del gradiente de presión, la deformación inicial en la forma de la burbuja, velocidad del fluido en la vecindad de los límites sólidos, etc. En estos estudios puede ser tomado como válido que las cavidades no colapsan concéntricamente en la vecindad de una pared. Se forma un 4micro-jet 1que choca con la superficie sólida donde trasmite un impulso de presión.

Coeficiente de Cavitación y Altura de Aspiración

En el caso de las turbomáquinas será conveniente hallar una expresión del coeficiente de cavitación en función de parámetros hidráulicos conocidos de la máquina, poniendo especial énfasis en las leyes de similitud que incluyen a las presiones o saltos, ya que la cavitación es una función de estas condiciones.

Obviamente, la cavitación se producirá en el lado de baja presión del rotor. Por lo tanto la altura o energía disponible en esa parte de la máquina, ALTURA DE ASPIRACION (hs) es de vital importancia. Luego, para una determinada velocidad angular y determinado caudal el comportamiento de la máquina a la cavitación es una función de esta altura de aspiración (hs).

La altura de aspiración puede definirse como la distancia vertical entre el eje de la máquina y el pelo de agua, aguas abajo de la máquina. Esta será positiva si el eje se encuentra por encima del pelo de agua y negativa en caso contrario.

La Comisión Electrotécnica Internacional especifica la manera correcta de considerar la altura de aspiración para los diferentes tipos de turbinas de reacción. La altura "geodésica" de aspiración no determina por sí sola la aparición de la cavitación, sino la denominada "altura dinámica de aspiración" que se puede determinar aplicando la ecuación de Bernoulli entre los puntos A y B de la bomba.

Determinación De Los Limites De Cavitación: Punto De Incepción.

Ya que la erosión por cavitación es capaz de destruir partes vitales de la máquina en corto tiempo es importante determinar el valor admisible de cavitación. Los métodos experimentales de estudio de la performance de una máquina con respecto a la cavitación difieren principalmente en el fenómeno físico seleccionado para determinar y evidenciar el comienzo de la cavitación. De acuerdo a esto pueden diferenciarse tres métodos de detección del fenómeno:

1.- Por el cambio en el rendimiento hidráulico de la máquina, puesto de manifiesto en la variación de la altura, potencia, caudal, etc.

2.- Por observación visual o fotográfica de las bolsas de vapor o burbujas en los álabes del rotor.

3.-Por observación y medición de los ruidos y vibraciones que acompañan el funcionamiento de la máquina.

De los tres métodos mencionados, el más exacto o el que mejores resultados de valor práctico produce es el primero.

Pero el cambio en el rendimiento hidráulico no es suficientemente confiable por si solo como indicación de la cavitación, ya que en ocasiones ruidos apreciables y tras indicaciones del fenómeno pueden aparecer sin acompañamiento de cambios en dicho rendimiento.

Consecuentemente, parte de los ensayos se compensan por los otros métodos mencionados.

Los ensayos para la determinación de la cavitación por estudio del rendimiento hidráulico son llevados a cabo de la siguiente manera:

La altura total de succión de la máquina es reducida gradualmente manteniendo constantes las otras condiciones de funcionamiento. Algunos cambios producidos en la altura, potencia, caudal o rendimiento pueden ser atribuidos a la cavitación.

La Figura muestra esquemáticamente como el flujo relativo determina las formas de cavitación en una bomba.

Esto se refleja en los gráficos de ensayo, como el de la Figura 7 donde se representan el rendimiento, la potencia específica y el coeficiente de presión como una fusión del coeficiente de cavitación s. En la parte superior de la figura pueden apreciarse los diagramas que muestran la extensión del campo de burbujas sobre el lado de baja presión del perfil.

Se ve en esta figura que el valor de s que representa la operación libre de cavitación de la máquina es aproximadamente cuatro veces más grande que el scrit en este caso. En otros casos este valor puede llegar hasta cinco veces el del valor crítico. Observando detenidamente la curva puede verse que a valores elevados de Hsv, los puntos obtenidos en el ensayo permanecen prácticamente constantes indicando que en este rango no se afecta el rendimiento de la máquina.

Al llegar a puntos de reducida altura de aspiración se empezarán a evidenciar perturbaciones en la altura, potencia y otras características de operación. El punto donde estas perturbaciones comienzan a evidenciarse se denomina "PUNTO DE INCEPCION", y marca el comienzo aparente de la cavitación (aunque se conoce que por encima de estos límites las máquinas a veces no operan libre de cavitación).

Cuando la curva característica del ensayo cae abruptamente se llega al denominado "PUNTO DE FALLA" (break Down point). En este punto las bolsas de vapor formadas por el descenso de la presión ocupan un considerable espacio de la sección del álabe reduciendo la presión y produciendo efectos inestables.