Bombas_en_serie_y_paralelo

Vista previa del material en texto

BOMBAS 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 1 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
GENERALIDADES. 
 
 
Definición: Convertidores de energía mecánica (procedente del motor que los 
arrastra) en energía hidráulica (fundamentalmente en forma de energía cinética 
y de presión). 
 
 eléctrico 
 La energía mecánica puede tener origen diesel 
 gas 
 vapor 
 
En principio existen dos grandes grupos de bombas: 
 
 TURBOMÁQUINAS (ROTODINÁMICAS) 
Son aquellas en las que en el rotor de la bomba (parte móvil), se 
transfiere momento cinético al fluido y luego, dentro del propio cuerpo de 
la bomba, en el difusor y el caracol, se transforma el exceso de energía 
cinética en energía de presión. 
 
 DE DESPLAZAMIENTO (RECIPROCANTES)  H Q  
Son aquellas en las que se aplica una determinada fuerza (o par si son 
rotativas) a una serie de cámaras de trabajo que se van llenando y 
vaciando en forma periódica. 
En resumen utiliza la energía transmitida por un elemento móvil (pistón) 
dentro de un receptáculo cerrado (cilindro). 
 
 neumáticas 
 OTROS GRUPOS DE BOMBAS jet 
 tornillo 
 
 
 
 B AH H H   
2 2
2 2
B A
P s P s
z z H
g g
                
 
 
 
 
 
 
Obs: 
B AP P
H
  se puede medir con un manómetro diferencial entre la entrada y 
salida de la bomba. 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 2 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
 
TURBOBOMBAS. 
 
 
Básicamente una bomba centrífuga consta de: 
 
1) Una entrada E unida a la tubería de aspiración 
2) Un rodete móvil R que entrega cinética al fluido por arrastre 
3) Un difusor D que tiene por objeto reducir la velocidad absoluta del 
fluido. En bombas de media y baja potencia no existe. 
4) Una voluta o caracol que recoge todos los filetes fluidos salientes de la 
periferia del difusor (o del rodete) y los conduce hasta el punto donde 
empalme la bomba y la tubería de impulsión. 
 
 
 
 
CLASIFICACION. 
 
En función de la trayectoria que siga el fluido a lo largo del rodete se pueden 
clasificar en: 
 Centrífugas (Q ½ y H grandes) 
 Mixtas (helicocentrífugas) 
 Axiales (Q grandes a H moderadas) 
 
 
Otras clasificaciones: 
 monocelulares 
 Según el número de rotores 
 multicelulares 
 
 
 
 monobloc (pieza única) 
 Según la carcaza externa 
 Cámara partida (dos piezas) 
 
 
 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 3 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
 horizontales 
 Según la orientación del eje 
 verticales 
 
 
 
 
 Según la configuración del rotor abierto (faltan ambos discos) 
(atendiendo a los discos que semiabierto (solo un disco) 
 conforman los álabes) cerrado (tiene 2 tapas (discos)) 
 
 
 
 CON (tiene difusor) 
 Según el difusor 
 SIN (no tiene difusor – solo caracol) 
 
 
 
 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 4 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
 
 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 5 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
 
 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 6 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
 
 
 
 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 7 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
DATOS FUNDAMENTALES QUE CARACTERIZAN EL 
FUNCIONAMIENTO DE UNA BOMBA (Q,H,N). 
 
Las curvas características de una bomba centrífuga son: 
 
 Altura en función del caudal ( )H H Q 
 Potencia en función del caudal ( )P P Q 
 Rendimiento en función del caudal )Q   
(solo 2 de ellas son correspondientes pues 
QH
P 

) 
 
La curva H = H (Q) nos indica las distintas alturas manométricas que 
proporciona una bomba para cada uno de los caudales de paso que atraviesan 
el rodete. Muestra la capacidad de transferir energía al fluido. Para saber que 
clase de motor se requiere se necesita saber la potencia requerida. 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 8 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 9 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
 
 
SOBRE SEMEJANZA (SIMILITUD). 
 
 
Para dos bombas con semejanza absoluta (geométrica, cinemática y dinámica) 
se cumple 
 
'
3
' N
N
Q
Q 
 ; 
2
'
2
' 


N
N
H
H 
 ; 
3
'
5
' 


N
N
P
P 
 
 
siendo λ la relación de semejanza geométrica 
 
En particular para el caso de una misma bomba se cumple la siguiente relación 
entre dos puntos de funcionamiento a diferente velocidad de giro 
 
' '
Q N
Q N

 ; 
2
' '
H N
H N
     ; 
3
' '
P N
P N
     
 
 
El concepto velocidad específica es importante desde el punto de vista del 
diseño de bombas, si bien no tanto desde la perspectiva de su utilización para 
la selección de equipos de bombeo. La velocidad específica será la misma 
para toda una gama semejante y definirá la morfología de la máquina. 
 
 
 
 
 
Cuando las variables se miden N (rpm), Q (m3/s) y H (m) entonces: 
 
Si 
 
Sn alto  AXIALES 300 
Sn bajo  CENTRÍFUGAS 15 
Sn medio  MIXTO 90 
 
 
A su vez la forma de las curvas características se relaciona también con la 
velocidad específica, de la siguiente manera 
 
4
3
H
QN
ns 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 10 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
 
 
 
 
También la velocidad específica se puede definir como una variable 
adimensional, incorporando la gravedad. En ese caso es posible identificar 
curvas homólogas adimensionales para distintos tipos de bombas. 
 
 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 11 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
 
 
 
 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 12 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
 
 
 
 
PUNTO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA INSTALACIÓN 
 
 
El punto de trabajo de una bomba depende a la vez de la característica motriz 
que presenta y de la característica resistente a vencer. 
 
La curva ( )H H Q se puede aproximar por una expresión del tipo 
2H A BQ CQ   siendo H la carga manométrica diferencia entre salida y 
entrada. 
 
 
2 2
2
2 22 2pérdidas
fLQ KQ
H KQ
gDA gA
    
 
Aproximación f de tubería constante,  la curva resistente de la instalación es 
R geo pérH H      La Solución final del sistema estará dada por: 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 13 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
R geo pérH H     
2
bombaH A BQ CQ    
 
Expresado en términos de balance, se puede exponer como: 
 
Nivel tanque succión - Pérdidas tramo succión + H bomba - Pérdidas tramo 
impulsión = Nivel Tanque Impulsión 
 
 
En forma gráfica 
 
 
CEBADO 
 
Cuando las bombas no están bajo carga, en el momento delarranque el tramo 
de aspiración puede estar lleno de aire. La depresión que genera (mc.aire) -que 
es la carga que entrega en metros de columna de fluido (aire)- por sí sola no es 
capaz de hacer que la columna líquida alcance el rotor de la bomba para poder 
comenzar a trasegar líquido. 
 
En el cebado en consecuencia se llena el tramo de aspiración y el rotor con 
fluido, de forma que el arrancar la bomba pueda entrar directamente en 
funcionamiento normal. 
 
ARRANQUE 
 
En el arranque la potencia puesta en juego podría exceder a la nominal del 
motor y, de no tomar precauciones, quemarlo. El arranque de bombas 
centrífugas conviene hacerlo con la válvula de impulsión cerrada, iniciando la 
apertura una vez alcanzada la velocidad de régimen, de forma de no 
sobrecargar el motor con la inercia propia del grupo motor – bomba, más la 
inercia de la columna del líquido que soporta. 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 14 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
 
ACOPLAMIENTO DE BOMBAS 
 
 SERIE 
 
Se pueden arreglar bombas en 
 
 PARALELO 
 
 
 
SERIE 
 
 
La impulsión de una bomba constituye la aspiración de la siguiente unidad, por 
lo que el caudal bombeado será el mismo en todas las máquinas aunque las 
alturas creadas deberán sumarse. 
 
Un caso especial es el de las bombas multicelulares, puesto que a pesar de 
estar los rodetes montados en serie el cuerpo de la bomba es único. Su uso es 
generalizado para elevar agua de pozos profundos, puesto que utilizar un solo 
rodete elevaría a diámetros muy grandes. Además mejora el rendimiento 
puesto que éste crece con ns. 
 
4
3
H
QN
ns 
 
 
y para el caso que se tienen m etapas puestas en serie se tiene 
 
3
4
3
4
's s
N Q
n m n
H
m
 
    
 
 
Analíticamente esto se expresa como: 
 
2H A BQ CQ   
2DQ EQ   Curvas de una bomba 
 
2( )H m A BQ CQ   
2DQ EQ   Curvas de m bombas o un rodete en serie 
(todos iguales) 
 
 
 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 15 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
 
 
De forma gráfica esto es: 
 
Al acoplar bombas en serie hay que sumar alturas manteniendo caudales, lo 
que se traduce en que las curvas resultantes tienen una pendiente acusada, 
tanto mayor cuanto más grande sea el número de etapas. 
 
Ello ocasiona el que sean bastante rígidas y que las variaciones de nivel 
estacional de un pozo hagan fluctuar poco el caudal que elevan y el 
rendimiento de la instalación cuando la curva resistente tenga escasa 
pendiente (conducción sobredimensionada). 
 
 
 
PARALELO 
 
 
El fluido se aspira en un punto común, inyectándose después el caudal en la 
impulsión general. En este caso se suman los caudales, conservando las 
alturas. Todas las impulsiones se conectan ordenadamente a una conducción 
general común o a un múltiple de impulsión. 
 
Su empleo se justifica por ejemplo cuando en un abastecimiento el consumo de 
agua fluctúa mucho con el tiempo, si bien las condiciones de uso se mantienen. 
La utilización de una sola bomba tratando de satisfacer una amplia gama de 
consumo sería factible, pero a costa de trabajar con rendimientos bajísimos en 
determinados puntos de funcionamiento. Poniendo en funcionamiento en forma 
progresiva los grupos necesarios según el consumo, se logra mantener el 
rendimiento dentro de márgenes razonables. 
 
Otro caso será cuando hay gran Q para satisfacer y es imprescindible tener un 
buen nivel de respaldo. 
 
Para obtener la curva de funcionamiento de un sistema de bombas acopladas 
en paralelo solo debemos sumar los caudales para una misma altura. 
 
Analíticamente esto se expresa como: 
 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 16 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
 
Si las curvas de una bomba son: 
 
 
2H A BQ CQ   
 Al acoplar n bombas en paralelo (iguales) 
2DQ EQ   
 
 
2
Q Q
H A B C
n n
            
 Siendo Q el caudal global del sistema 
 
2
Q Q
D E
n n
            
 
 
De forma gráfica, la suma de caudales manteniendo las alturas para obtener la 
curva característica del sistema acoplado resulta ser: 
 
 
 
 
 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 17 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
 
CAVITACIÓN 
 
Se entiende por cavitación el fenómeno consistente en la vaporización del 
fluido circulante, a temperaturas muy inferiores a las del punto de ebullición del 
mismo en condiciones normales de presión. 
 
Un líquido se evapora cuando su tensión de vaporización a la temperatura que 
se considera alcanza la presión exterior que sobre dicho líquido actúa. 
 
La cavitación puede aparecer en la aspiración de bombas cuando éstas se 
encuentran a un nivel superior al de la superficie libre en el depósito de 
captación. Se da por una progresiva transferencia de energía de presión en 
energía potencial y en pérdidas por rozamiento a vencer en la conducción. 
 
Motivos que hacen indeseable que la bomba funcione con cavitación: 
 
 Las piezas mecánicas están sometidas a esfuerzos alternados pues la 
potencia solicitada al motor depende del estado líquido o vapor del fluido. 
 
 Descenso brusco del caudal impulsado por la bomba por el 
estrangulamiento que se produce con la vaporización del fluido. 
 
 La brusca condensación de las burbujas de vapor a alta frecuencia 
produce elevados esfuerzos, que a su vez fatigan el material. Por esto las 
zonas de cavitación son de rápida corrosión (destrucción del material). 
 
La aparición de cavitación dependerá de: 
 
 Las condiciones de aspiración. La altura de la bomba respecto el nivel de 
toma y las pérdidas de carga en el tramo de succión  NPSHdisp (Net 
Positive Suction Head). 
 
 El trabajo que hay que hacer para vencer el rozamiento desde la entrada 
al cuerpo de la bomba hasta el punto de mínima presión dentro del rodete  NPSHrequer 
 
Al inicio de la aspiración la energía (o carga) disponible en el fluido es 
básicamente la de su presión atmosférica. Con la aspiración ésta se va 
transformando parte en potencial (posición), parte en cinética (velocidad), parte 
se emplea para vencer el rozamiento y el resto permanece como energía de 
presión. De esta forma, en la entrada de la bomba habrá presión manométrica 
negativa. 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 18 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
Lo que supera en valor la presión existente en la entrada de la bomba a la 
tensión de vaporización del líquido, es la energía disponible para vencer las 
pérdidas adicionales en el interior de la bomba y conducir el fluido hasta 
alcanzar el punto de mínima presión dentro del rodete. 
 
Sea  S la sección en la que se efectúan medidas de presión en la tubería de 
succión, justo a la entrada de la bomba.  O un punto inmediato antes de la entrada al rotor dentro de la bomba.  B el punto interior del rotor donde la presión es mínima. 
 
SOS o
H H 
 (Bernoulli considerando la pérdida por fricción entre S y O) 
 
2 2v v
2 2
atm s s atm o o
s o so
g g
P P P P
H  
          
 
 
Además se tiene otro balance de carga dentro del equipo, que resulta: 
 
 g
v
C
pp r
p
bo
2
2
0
 
 
Siendo: 
 
cp = coef. de presiones 
vr0 = velocidad del flujo relativa al álabe. 
 
Ubicando la referencia altimétrica en el eje del rotor  0oZ 
 se plantea en 
consecuencia el siguiente balance 
 

2 2 2v v
2 2 2
atm s s atm b ro o
s p so
g g g
P P P P v
C H  
         
 
 
La condición para que nocavite es vaporbatm PPP  siendo Pvapor la presión 
absoluta de vaporización del fluido a la temperatura existente, por lo cual  
so
orpvapor
s
ssatm H
g
v
g
vCP
Z
g
vPP 
222
222
0 
El término de la derecha se puede poner todo en 
función de 
2
sv , dado que depende de las 
características de la bomba y  también del 
Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas Bombas 
UdelaR - FI - IMFIA - 2009 8. 19 E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez 
propio caudal, y se lo denomina rNPSH (“Net Positive Suction Head” 
requerida). Este valor debe suministrarlo el fabricante mediante ensayo de 
cavitación, usualmente como una curva característica adicional. 
 
Si 
2v 2 ZS S s sH P g    
 
 
 vaporatm
S r
PP
H NPSH   
 
 
definiendo así (“Net Positive Suction Head” 
disponible) 
dNPSH
vaporatm
s
PP
H    
 
 
La condición de no cavitación resulta ser: dNPSH  rNPSH
 
 
OBSERVACIÓN: Para el caso de una bomba succionando desde un recipiente 
a presión atmosférica, siendo A un punto de la superficie libre del recipiente, la 
condición de no cavitación resulta: 
atm v
A AS r
P P
NPSH     
 
donde AS son las pérdidas por fricción en el 
tramo de succión y A es la distancia desde el 
centro del rotor (eje) a la superficie libre (medida 
negativa si el eje está por sobre la superficie libre del tanque). Además 
mca
PP vatm 10 