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Sistemas de Bombeo

DEFINICIÓN DE UN EQUIPO DE BOMBEO

Un equipo de bombeo consiste de dos elementos, una bomba y su accionador el cual puede ser un motor eléctrico,’ motor de combustión interna, etc. El accionador entrega energía mecánica y la bomba la convierte en energía cinética que un fluido adquiere en forma de presión, de posición y de velocidad. Como un ejemplo de esta adición de energía al fluido mencionaremos el uso de algunos equipos de bombeo en los servicios específicos siguientes:
Un equipo de bombeo de pozo profundo se utiliza para cambiar la posición del agua que se encuentra en el subsuelo para que salga a la superficie.

Un equipo de bombeo de transporte (Pipe-Iine) se utiliza para adicionar energía de presión al fluido, que se utiliza para poder vencer las pérdidas de fricción que se tienen en la conducción, esto se da en donde las elevaciones, así como los diámetros de tubería y las velocidades del fluido son iguales.

En la mayoría de las aplicaciones de los equipos de bombeo en que se trabajan con presiones y elevaciones iguales, generalmente estos adicionan energía de velocidad.

CLASIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS BOMBAS

1. Las bombas se clasifican con base en una gran cantidad de criterios, que van desde sus aplicaciones, materiales de construcción, hasta su configuración mecánica. Un criterio básico que incluye una clasificación general, es el que se basa en el principio por el cual se adiciona energía al fluido. Bajo este criterio las bombas pueden dividirse en dos grandes grupos; Dinámicas y de Desplazamiento positivo.
2. Dinámicas. Bombas a las que se agrega energía continuamente, para incrementar la velocidad del fluido dentro de la bomba a valores mayores de los que existen en la succión, de manera que la subsecuente reducción de velocidad dentro ó más allá de la bomba, produce un incremento en la presión.
3. De desplazamiento positivo. Bombas en las cuales se agrega energía periódicamente mediante la aplicación de fuerza a uno o más elementos móviles para desplazar un número deseado de volúmenes de fluido, lo que resulta en un incremento directo en la presión.
   La Figura 1.1 muestra la clasificación general de las bombas, dividida en los dos grandes grupos arriba indicados. En la figura 1.2 se muestra una clasificación de las bombas para manejo de aguas residuales, tomando en consideración su aplicación práctica en los organismos operadores en México.

CLASIFICACIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGAS

Las bombas centrífugas se clasifican de acuerdo a la trayectoria del fluido en el interior del impulsor en: flujo radial, flujo axial y flujo mixto.

• Flujo radial. El movimiento del fluido se inicia en un plano paralelo al eje de giro del impulsor de la bomba y termina en un plano perpendicular a éste. Estas bombas Pueden ser horizontales o verticales.
• Flujo axial. La dirección del fluido en el impulsor es en forma axial y alrededor del eje de giro del impulsor de la bomba, sin tener cambios de dirección. Éstas bombas desarrollan su carga por la acción de un impulso o elevación de los álabes sobre el líquido y usualmente son bombas verticales de un solo paso.
• Flujo mixto. El movimiento del fluido dentro del impulsor se desarrolla en tres direcciones, tangencial, radial y axial al eje de giro del impulsor de la bomba. Éstas bombas desarrollan su carga parcialmente por fuerza centrífuga y parcialmente por el impulso de los álabes sobre el líquido.

TIPOS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS

Bombas con impulsor en voladizo: En estas bombas el impulsor es montado en el extremo de la flecha, transmitiendo en su operación una fuerza y un momento en cantiliver sobre el (los) rodamientos de la bomba.

Bombas con impulsor entre rodamientos: En estos equipos los rodamientos están situados en los extremos, los cuales soportan la flecha con el impulsor o impulsores, según sea de un paso o multipaso respectivamente.
Bombas tipo turbina: Es una bomba vertical para servicio en pozos o cárcamos, donde el nivel del líquido sobrepasa la altura de succión de las bombas horizontales. Éstas bombas por lo general se construyen con lubricación por aceite, o por el mismo fluido bombeado (auto lubricadas) con tazones y difusores lo cual la hacen conveniente para construcciones multietapas.

Curvas características

Las curvas de actuación de las bombas dan información acerca de cómo se va a comportar el sistema de bombeo en función de ciertos parámetros. Es importante tenerlas en cuenta durante toda la vida operativa del sistema.
Curvas de caudal en función de la contrapresión
Si se ignoran las pérdidas de carga el caudal en esta situación viene determinado por la altura H a la que se encuentra la descarga. Esta curva indica el caudal que se puede bombear dependiendo de la altura. En un sistema real se generan pérdidas de carga por la fricción con válvulas y codos, esta resistencia es conocida como contrapresión dinámica.

Curva de características del sistema
La curva de características del sistema está basada en las pérdidas de carga por altura de presión estática y en la contrapresión dinámica. La curva de caudal en función de la contrapresión es la misma que la anterior y solo depende de la altura de bombeo. El punto en que se cruzan estas dos curvas es el punto de operación de la bomba.

Actuación con la bomba fuera del fluido
Aparece la resistencia creada por la altura de la columna de líquido. NPSH “Net Positive Suction Head” es la altura positiva de succión neta, cuanto mayor sea este valor más trabajo costará bombear este fluido.
Si la bomba está por encima de la columna del fluido y tiene que aspirar, la temperatura de evaporación del fluido decrece. El fluido puede llegar a evaporarse por vacío descebado la bomba, es decir haciéndola cavitar, por lo que las bombas deben montarse siempre lo más por debajo posible del tanque.

Curvas de actuación de las bombas en función del número de revoluciones
El caudal de la bomba puede ajustarse ajustando el número de revoluciones, una reducción de la velocidad de rotación hacen que la curva se mueva paralelamente reduciendo la altura de bombeo y el caudal.

Curva de actuación teniendo en cuenta el consumo
La curva es de la misma manera que las anteriores solo que en este caso también se incluye la eficiencia en función del caudal y la altura de bombeo. Trazando una línea paralela al eje de ordenadas desde el máximo de la curva de eficiencia se encuentra la altura óptima de bombeo para el caudal deseado.

Operación en paralelo
Las bombas centrífugas operando en paralelo aumentan la capacidad de bombeo del sistema ya que el caudal final bombeado es igual a la suma de la contribución de cada bomba. En el caso que se opere con alturas de presión o caudales muy variables esta disposición resulta interesante. Un adecuado control de la carga resulta en un consumo mínimo y por tanto en una operación eficiente.
Los sistemas de bombeo en paralelo además contribuyen a aumentar la fiabilidad y mantenibilidad del sistema ya que en ciertas situaciones en que la altura o el caudal a vencer o bombear sean bajos podrá utilizarse solo una de las bombas, pudiendo ser revisada o reparada la bomba parada.

Selección de equipo

Para seleccionar un equipo de bombeo se deberá tener un conocimiento completo del sistema en que trabajará la bomba y motor, caso contrario puede hacer una selección errónea que causará el mal funcionamiento de la bomba, lo que a su vez afectará a la eficiencia y eficacia del sistema.
Las bombas se eligen generalmente por uno de los tres métodos siguientes:

• El cliente suministra detalles completos a uno ó más proveedores, de las condiciones de bombeo y pide una recomendación y oferta de las unidades que parezcan más apropiadas para la aplicación.
• El comprador efectúa un cálculo completo del sistema de bombeo procediendo a elegir la unidad más adecuada de catálogos y gráficas de características.
• Una combinación de los anteriores métodos para llegar a la selección final.

Para seleccionar equipos pequeños de bombeo, como los utilizados en el medio rural, es más conveniente adoptar uno de los dos últimos métodos. No es una práctica recomendable, dejar la selección de la bomba únicamente en manos del representante del proveedor, ya que su criterio será limitado debido a su conocimiento parcial del sistema en que trabajará la bomba (solo dispondrá de la información que se le proporcione).
Contrariamente, cuando se pide una propuesta, es buena práctica proporcionar un diagrama completo del sistema en que trabajará el equipo al representante del proveedor, de esta manera sus técnicos pueden realizar sus propios cálculos y verificar los del cliente. Esta es una forma de asegurar una selección más exacta del equipo.
Los pasos básicos para la elección de cualquier tipo de bomba son:

• Elaborar un diagrama de la disposición de bomba y tuberías.
• Determinar el caudal de bombeo.
• Calcular la altura manométrica total.
• Estudiar las condiciones del liquido
• Elegir la clase y tipo de bomba.

GOLPE DE ARIETE EN BOMBAS

El golpe de ariete es una gran fuerza destructiva que puede presentarse en cualquier sistema de bombeo, cuando en este el caudal (gasto) cambia repentinamente de un momento a otro cualquiera que sea la causa.
Es pues, esencial y necesario que el ingeniero sea capaz de predecirlo (golpe de ariete), a la vez que estima la presión máxima que este puede llegar a producir y si es posible, instalar equipo capaz de reducir esta presión, hasta que quede dentro de los límites de seguridad.
El establecimiento de la teoría básica se inició con las contribuciones de Joukousky y Allievi hace alrededor de 85 años. A estas le siguieron muchas otras contribuciones como calculo numérico gráfico y las computadoras. Aun cuando la teoría y el mecanismo de cálculo del fenómeno del golpe de ariete en líneas de descarga de bombas centrifugas ha avanzado mucho últimamente, hay muchos aspectos que pueden ser confusos para muchos. Consideraciones básicas:

• El fluido dentro de la tubería que lo conduce, se comporta como un cuerpo elástico, de densidad homogénea y se encuentra siempre en estado líquido.
  
• El material de la tubería es homogéneo, isotópico y elástico.
  
• Las velocidades y presiones que se generan dentro de la tubería, la cual siempre se encuentra llena completamente de fluido, se distribuyen uniformemente sobre cualquier sección transversal de la tubería que se considere.
  
• La presión que produce la velocidad del fluido es despreciable cuando se le compara con los cambios de presión que provoca el golpe de ariete.
  
• La distancia entre la entrada y salida de la bomba es tan corta que la onda de presión que provoca el golpe de ariete se propaga entre estos dos puntos, de manera instantánea.
  
• Los efectos de inercia de partes giratorias, o sea el efecto de volante del impulsor de bombas o del motor del rotor eléctrico, son despreciables en su magnitud durante el cambio de condiciones que impone el golpe de ariete.
  
• Se considera que no hay cambio apreciable en los niveles de líquido de los tanques de almacenamiento, tanto de alimentación como de descarga del sistema, que sea de consideración durante el fenómeno del golpe de ariete.

MÉTODOS PARA CONTRARRESTAR EL GOLPE DE ARIETE

Sistemas de bombeo de baja y alta presión: el golpe de ariete tiene mayor significación en sistemas de baja presión, que en los de alta presión. Las velocidades de desplazamiento en condiciones estables normales tanto en los sistemas de alta como en los de baja presión son aproximadamente iguales. Sin embargo, los cambios de presión son proporcionales a la velocidad con que se cambia la velocidad de la masa de agua contenida dentro de la tubería. Por lo tanto, dado un cambio de velocidad específico dentro de la unidad del tiempo, el cambio de presión que resulta en los sistemas de alta y baja presión es del mismo orden de magnitud. Por lo tanto, una elevación en la presión por una cantidad dada, representara un aumento en mayor proporción dentro del sistema de baja presión, que lo que este mismo aumento de presión representara dentro de un sistema de alta presión.

Tamaño de la tubería: El diámetro de la tubería se suele determinar en consideraciones económicas, basadas en condiciones de bombeo en estado estable. No obstante, los efectos del golpe de ariete en un tubo de descarga de una bomba se pueden reducir al aumentar el tamaño del tubo de descarga, porque los cambios de velocidad serán menores en el tubo más grande. Este método de reducción del golpe de ariete en los tubos de descarga suele ser muy costoso, pero hay ocasiones en las cuales resulta más costoso utilizar dispositivos de control que el cambio del diámetro de la tubería.

Efecto de volante : Otro método para reducir los efectos del golpe de ariete en los tubos de descarga de las bombas, es proveer un efecto de volante adicional en el elemento rotatorio del motor. En promedio, el motor por lo general produce alrededor del 90% del efecto del volante combinado de los elementos rotatorios de la bomba y el motor. Al ocurrir una interrupción de corriente en el motor, un aumento de la energía cinética de las partes rotatorias, reducirá la rapidez del cambio de la circulación de agua en el tubo de descarga. En la mayoría de los casos se puede obtener un aumento del 100% en el de los motores grandes con un aumento de precio del 20% del costo original del motor. Ahora bien, un aumento en el no es un método económico para reducir el golpe de ariete, pero es posible en algunos casos marginales, eliminar otros dispositivos más costosos para el control de la presión.

Número de bombas: El número de bombas conectadas en cada tubo de descarga se suele determinar con los requisitos operacionales de la instalación, disponibilidad de las bombas y otras consideraciones económicas. No obstante, el número y tamaño de las bombas conectadas en cada tubo de descarga tendrán algún efecto sobre las transitorias del golpe de ariete. Para el arranque de bombas equipadas con válvulas de retención, cuanto mayor sea el número de bombas en cada tubo de descarga, menor será el aumento de la presión. Además, si hay una falla en una de las bombas o válvulas de retención, sería preferible una instalación con bombas múltiples en cada tubo de descarga, en vez de una sola bomba, porque los cambios de circulación en el tubo de descarga producidos por la falla, serían menores. Cuando ocurre una interrupción simultanea de la corriente en todos los motores de las bombas, cuanto menor sea el número de bombas en un tubo de descarga, menores serán los cambios en la presión y otros fenómenos hidráulicos transitorios. Para una circulación total dada en un tubo de descarga, un gran número de bombas y motores pequeños, tendrá mucha menor energía cinética total en las partes rotatorias, para mantener la circulación, que un número pequeño de bombas. En consecuencia, para el mismo caudal total, los cambios de velocidad y los efectos del golpe de ariete a consecuencia de la interrupción de la corriente son mínimos, cuando hay una sola bomba conectada en cada tubo de descarga.

Velocidad específica de las bombas: Para una tubería y condiciones dadas de circulación estable inicial, el aumento máximo en la carga que puede ocurrir en un tubo de descarga, después de la interrupción de la corriente, cuando la circulación inversa pasa por la bomba depende, primero, de la magnitud de la circulación inversa máxima que puede pasar por la bomba durante los periodos de disipación de energía y de funcionamiento de la turbina y, luego, de la circulación que puede por la bomba a la velocidad de embalamiento o “desboque” en reversa. Al ocurrir la interrupción de la corriente, la bomba de flujo radial (alta velocidad específica), producirá un poco más de turbulencia que las bombas de flujo axial y de flujo mixto. La bomba de flujo radial también producirá el máximo aumento en la carga al ocurrir la interrupción de la corriente, si se permite que la circulación inversa pase por la bomba. Suele haber muy poco aumento en la carga en las bombas de flujo mixto y de flujo axial cuando ocurre una interrupción de la corriente y si no ocurre una separación de la columna de agua en algún otro lugar de la tubería.
Durante la interrupción de la corriente si no se utilizan válvulas, se llega a una mayor velocidad inversa en la bomba de flujo axial y a una menor en la bomba de flujo radial. Por lo tanto, se debe tener cuidado de evitar daños a los motores de las bombas de mayor velocidad específica, debido a estas velocidades inversas más altas. Al arrancar una bomba en contra de una válvula de retención inicialmente cerrada, la bomba de flujo axial producirá el máximo aumento de carga en el tubo de descarga porque también tiene la máxima carga de cierre. Al arrancar la bomba, una bomba de flujo radial producirá un aumento nominal en la carga; pero, una bomba de flujo axial puede producir un aumento en la carga varias veces mayor que la carga estática.

ACCESORIOS PARA CONTRARRESTAR EL GOLPE DE ARIETE

Válvulas de retención: estas se pueden agrupar en dos clases: de cierre rápido y de cierre lento. El requisito más importante de una válvula de retención es, que, al ocurrir la interrupción de la corriente, esta se cierre con una rapidez tal que no se establezca una circulación inversa apreciable. Si debido a las características de circulación del sistema y al diseño de la válvula de retención no se puede cumplir con el anterior objetivo, se tiene que recurrir a unos dispositivos que sean capaces de amortiguar el cierre de la válvula, ya sea en su totalidad o en su finalización.
En los sistemas grandes de bombeo, si se utiliza un cierre de una velocidad para la válvula de descarga, después de la interrupción de la corriente, se limitará el aumento de la carga en la tubería de descarga, a un valor aceptable. Si se desea, por otras consideraciones, limitar la velocidad inversa de la bomba, se puede utilizar un cierre de dos velocidades para la válvula, en este caso la válvula en su mayor parte debe ser cerrada con mucha rapidez, hasta el momento en que se invierta la circulación en la bomba. Después debe acabar de cerrarse con una menor velocidad, a fin de limitar el aumento de presión en el tubo de descarga, a un valor aceptable.

Supresores de fluctuaciones: estos se utilizan, en las plantas de bombeo para controlar el aumento en la presión que ocurre en los tubos de descarga de las bombas, después de una interrupción de la corriente. Un supresor de fluctuaciones consiste en una válvula operada por piloto, la cual abre con rapidez después de una interrupción de la corriente. Esta válvula produce una abertura para descargar el agua del tubo de descarga, después esta se cierra con lentitud debido a la acción de un amortiguador de cierre, a fin de controlar el aumento en la presión conforme se corta la circulación de agua. Un supresor de fluctuaciones adecuado y bien ajustado en el campo, puede reducir el aumento en la presión a cualquier valor deseado, siempre y cuando no ocurra una separación de la columna de agua en otros lugares de la tubería.
Si el supresor abre con demasiada rapidez, después de la interrupción de la corriente, la fluctuación descendente de la bomba y de la tubería de descarga sería mayor que si no hubiera supresor. Como resultado, se puede producir una separación de la columna de agua en algunos lugares de la tubería, por la apertura prematura del supresor. Si el supresor cierra con demasiada rapidez después de establecida la máxima circulación inversa, ocurrirá un gran aumento en la presión.

Cámaras de aire: es un dispositivo eficaz para controlar las fluctuaciones de presión en una tubería de descarga larga de una bomba. Esta suele encontrarse en la estación de bombeo o cerca de esta. La parte inferior de esta contiene agua y el superior aire comprimido. Cuando ocurre una interrupción de la corriente en el motor de la bomba, la carga producida por la bomba baja con rapidez. El aire comprimido de la cámara se expande y expulsa el agua por el fondo de la cámara hacia el tubo de descarga, minimizando los efectos de cambio de velocidad y los efectos del golpe de ariete en el tubo. Cuando la velocidad de la bomba se reduce a un punto al cual no puede entregar agua en contra de la carga existente, entonces la válvula de retención en la descarga se cierra con rapidez, desacelerando la bomba, hasta que esta se detiene. Unos instantes más tarde, el agua en el tubo de descarga pierde velocidad y se detiene, se invierte y retorna a la cámara de aire. Esta entra por un orificio de restricción, disminuyendo el volumen de aire de la cámara y ocurriendo un aumento en la carga, superior a la carga de bombeo en la tubería de descarga.

Tanques de compensación de pulsaciones: este es uno de los dispositivos más confiables que se pueden utilizar en las estaciones de bombeo para reducir el golpe de ariete. No tiene piezas móviles que se puedan dañar. Después de la interrupción en la corriente, el agua en el tanque de compensación constituye una fuente de energía potencial, que reduce en forma efectiva, la rapidez en el cambio de circulación y el golpe de ariete en la tubería de descarga. Una de las desventajas del tanque de compensación es que su parte superior debe estar más arriba del gradiente hidráulico para evitar derrames, haciendo así el tanque muy alto y muy costoso.

Trinquetes no reversibles: este aparato de uso solo en plantas de bombeo pequeñas, consiste de un trinquete (cuña) no reversible en el eje de la bomba y del motor, que evita la rotación inversa de la bomba. Este aparato es eficaz para controlar el golpe de ariete al ocurrir la interrupción de la corriente, debido a la gran circulación inversa que puede pasar por el impulsor que está estacionario. Aunque ha sido útil en bombas pequeñas, su uso en bombas medianas y grandes ha sido decepcionante, debido a que el choque en el sistema de eje de motor y bomba por el paro repentino del eje, ocasionó graves problemas mecánicos.

Cavitación en Sistemas de Bombeo

El fenómeno de Cavitación se presenta cuando la presión en la succión está cercana a la presión de vapor del fluido. En este caso se crean burbujas de aire que al entrar en zonas de mayor presión se rompen de manera abrupta. Este continuo rompimiento de las burbujas es causa de daños en el eje del rotor por lo que se debe evitar este fenómeno.
Existe un parámetro de control de la cavitación llamado Altura Neta Positiva deSucción Requerida (CNPSr) y Disponible(CNPSd).
(CNPSr): Es función del diseño de la bomba y por lo tanto suministrado por el fabrican. Representa la mínima diferencia requerida entre la presión de succión y la presión de vapor a una capacidad dada, sin que se corran riesgos de cavitación.
(CNPSd): Es función del diseño del bombeo y representa la diferencia entre la altura absoluta y la presión del vapor del líquido. Esta se representa por:

Para evitar el riesgo de cavitación por presión de succión, se debe cumplir que:
(CNPSd)> (CNPSr)
Otra de las causas de cavitación en bombas son las excesivas revoluciones del rotor. En este caso se debe verificar que la velocidad específica de operación no sobrepase la máxima dada por el fabricante.

Consejos para detectar la cavitación

Cuando una bomba cavita, se percibe un ruido característico que recuerda un martillo golpeando una pieza de metal. También se asemeja al impacto constante de piedras en el interior de la bomba. La manera más precisa para detectar la cavitación es la toma de lecturas de presión en la aspiración e impulsión de la bomba, así como la medición exacta de la velocidad de trabajo de la bomba. Con esta información, se consulta la curva característica de la bomba y se determina dónde está trabajando. Si se sospecha que la bomba padece una cavitación de aspiración la lectura de presión en la brida de succión indicará un nivel de vacío importante o, posiblemente, se deba revisar el cálculo del NPSH. Evidentemente, si se abre la bomba y en el rodete se descubre alguna agresión similar a las descritas, la cavitación ya no es una sospecha sino una realidad.

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