- Descripción de las
Bombas Centrífugas y de Flujo Axial - Altura Desarrollada por una
Bomba - Rendimiento de las
Bombas - Características del
Funcionamiento de las Bombas a Velocidad
Constante - Punto de Funcionamiento de una
Bomba - Cavitación en las
Bombas - Efecto de la
Viscosidad - Selección de
Bombas - Instalación de Bombas
en la Industria de Alimentos - Bibliografía
Una bomba es una turbo máquina generadora para
líquidos. La bomba se usa para transformar la
energía mecánica en energía
hidráulica.
La bombas se emplean
para bombear toda clase de líquidos, (agua, aceites
de lubricación, combustibles ácidos,
líquidos alimenticios, cerveza, leche, etc.),
éste grupo
constituyen el grupo
importante de l as bombas sanitaria.
También se emplean las bombas para bombear los
líquidos espesos con sólidos en suspensión,
como pastas de papel,
melazas, fangos, desperdicios, etc.
Un sistema de bombeo
puede definirse como la adición de energía a un
fluido para moverse o trasladarse de un punto a otro.
Una bomba centrífuga es una máquina que
consiste en un conjunto de paletas rotatorias encerradas dentro
de una caja o cárter; o una cubierta o carcasa. Las
paletas imparten energía al fluido por la fuerza
centrífuga.
Uno de los factores mas importantes que contribuyen al
creciente uso de bombas centrífugas ha sido el desarrollo
universal de la fuerza
eléctrica.
Descripción de las Bombas
Centrífugas y de Flujo Axial:
El elemento rotativo de una bomba centrífuga se
denomina impulsor. La forma del impulsor puede forzar al agua a salir
en un plano perpendicular a su eje (flujo radial); puede dar al
agua una velocidad con
componentes tanto axial como radial (flujo mixto) o puede inducir
un flujo en espiral en cilindros coaxiales según la
dirección del eje (flujo axial).
Normalmente, a las máquinas
con flujo radial o mixto se les denomina bombas
centrífugas, mientras a las de flujo axial se las llama
bombas de flujo axial o bombas de hélice. Los impulsores
de las bombas radiales y de las mixtas pueden abiertos o
cerrados. Los impulsores abiertos consisten en un eje al cual
están unidos los álabes, mientras que los
impulsores cerrados tienen láminas (o cubiertas) a cada
lado de los álabes.
Las bombas de flujo radial tienen una envolvente
helicoidal, que se denomina voluta, que quía el flujo
desde el impulsor hasta el tubo de descarga. El incremento de la
sección transversal a lo largo de la envolvente tiende a
mantener constante la velocidad en
su interior.
Algunas bombas tienen álabes difusores en la
voluta. Estas bombas son conocidas como turbobombas.
Las bombas pueden ser unicelulares o multicelulares. Una
bomba unicelular tiene un único impulsor, mientras que una
multicelular tiene dos o mas impulsores dispuestos de forma que
la salida de uno de ellos va a la entrada siguiente.
Es necesario emplear una disposición apropiada de
las tuberías de aspiración y descarga para que una
bomba centrífuga funcione con su máximo
rendimiento. Por motivos económicos, el diámetro de
la cubierta de la bomba en la aspiración y descarga suele
ser menor que el del tubo al cual se conecta. Si existe un
reductor horizontal entre la aspiración y la bomba,
deberá utilizarse un reductor excéntrico para
evitar la acumulación de aire.
Deberá instalarse una válvula de pie
(válvula de registro) en el
tubo de aspiración para evitar que el agua
abandone la bomba si ésta se detiene. La tubería de
descarga suele incorporar una válvula de registro una
válvula de cierre. La válvula de registro evita que
se cree un flujo de retorno a través de la bomba en caso
de que halla una caída de potencia. Las
tuberías de aspiración que toman agua de un
depósito duelen tener un filtro para prevenir la entrada
de partículas que pudieran atascar la bomba.
Las bombas de flujo axial suelen tener solo dos o cuatro
palas, por lo que tienen grandes conductos sin obstáculos,
que permiten trabajar con agua que contengan elementos
sólidos sin que se produzca atascos. Los álabes de
algunas bombas axiales grandes son ajustables para permitir fijar
la inclinación que dé el mejor rendimiento bajo
condiciones reales.
Altura
Desarrollada por una Bomba:
La h desarrollada por una bomba se determina midiendo la
presión
en la aspiración y en la salida de la bomba, calculando
las velocidades mediante la división del caudal de salida
entre las respectivas áreas de las secciones transversales
y teniendo en cuenta la diferencia de altura entre la
aspiración y la descarga. La altura neta h suministrada
por la bomba al fluido es
donde los subíndices d y as se refieren a la
descarga y aspiración de la bomba. Si las tuberías
de descarga y aspiración son del mismo tamaño, las
componentes de la altura correspondiente a la velocidad se
cancelan, sin embargo en general la tubería de entrada es
mayor que la de salida.
La normativa de ensayo indica
que la altura desarrollada por una bomba es la diferencia entre
la carga en la entrada y en la salida. Sin embargo, las
condiciones del flujo en la brida de salida son normalmente
demasiado irregulares para tomar medidas de presión
precisas, y es más seguro medir la
presión alejándose de la bomba diez o mas veces el
diámetro del tubo y añadir una estimación de
la pérdida por fricción para esa longitud del
tubo.
En la entrada algunas veces existe prerotación en
la zona del tubo cercana a la bomba y esto puede hacer que las
lecturas depresión
obtenidas con un instrumento de medida sean diferentes a la
presión media real en dicha sección.
Cuando un líquido fluye a través de una
bomba, sólo parte de la energía comunicada por el
eje del impulsor es transferida el fluido. Existe fricción
en los cojinetes y juntas, no todo el líquido que
atraviesa la bomba recibe de forma efectiva la acción del
impulsor, y existe una perdida de energía importante
debido a la fricción del fluido. Ésta
pérdida tiene varias componentes, incluyendo las
pérdidas por choque a la entrada del impulsor, la
fricción por el paso del fluido a través del
espacio existente entre las palas o álabes y las
pérdidas de alturas al salir el fluido del impulsor. El
rendimiento de una bomba es bastante sensible a las condiciones
bajo las cuales esté operando. El rendimiento
h de una bomba viene
dado por
donde g
, Q y h se definen de forma habitual; T es el par ejercido
por el motor sobre el
eje de la bomba y w
el régimen de giro del eje en radianes por
segundos.
Características del Funcionamiento de
las Bombas a Velocidad Constante:
El rendimiento de una bomba varía
considerablemente dependiendo de las condiciones bajo las cuales
esté operando. Por tanto, cuando se selecciona una bomba
para una situación dada, es importante que la persona encargada
de realizar dicha selección
tenga información relativa el funcionamiento de
las distintas bombas entre las que vaya a realizarse la
elección. El fabricante de bombas suele tener información de este tipo, basada en
ensayos de
laboratorio,
sobre su catálogo de bombas estándar. Sin embargo,
algunas veces las bombas de gran capacidad se fabrican a medida.
A menudo se fabrica y se ensaya un modelo de tal
bomba entes de realizar el diseño
final del prototipo de la bomba. Aun cuando algunas bombas
centrífugas son accionadas por motores de
velocidad variable, la forma mas frecuente de operación de
las bombas es a velocidad constante.
La forma de los impulsores y de los álabes y su
relación con la envolvente de la bomba dan lugar a
variaciones en la intensidad de las pérdidas por choque,
la fricción del fluido y la turbulencia. Dichos
parámetros varía con la altura y el caudal, siendo
responsables de las grandes modificaciones en las características de las bombas. La altura en
vacío es la que desarrolla la bomba cuando no hay flujo.
En el caso de las bombas centrífugas de flujo mixto, la
altura en vacío es alrededor de un 10 por 100 mayor que la
altura normal, que es la que corresponde al punto de
máximo rendimiento, mientras que en el caso de las bombas
de flujo axial la altura en vacío puede ser hasta tres
veces la altura normal.
La elección de una bomba para condiciones
determinadas dependerá de la velocidad de giro del
motor que la
acciona. Si la curva característica de una bomba para una
velocidad de giro dada es conocida, la relación entre la
altura y el caudal para velocidades de giro distintas puede
deducirse a partir de ecuaciones.
Punto de
Funcionamiento de una Bomba:
La manera en la que una bomba trabaja depende no
sólo de las características de funcionamiento de la
bomba, sino también de las características del
sistema en el
cual vaya a trabajar. Para el caso de una bomba dada, mostramos
las características de funcionamiento de la bomba (h
respecto a Q) para una velocidad de operación dada,
normalmente cercana a la velocidad que da el rendimiento
máximo. También mostramos la curva
característica del sistema (es decir, la altura de bombeo
requerida respecto a Q). En este caso, la bomba está
suministrando líquido a través de un sistema de
tuberías con una altura estática D z. La altura que la bomba debe desarrollar es
igual a la elevación estática
mas la pérdida total de carga en el sistema de
tuberías (aproximadamente proporcional) a Q²). La
altura de funcionamiento de la bomba real y el caudal son
determinados por la intersección de las dos
curvas.
Los valores
específicos de h y Q determinados por esta
intersección pueden ser o no ser los de máximo
rendimiento. Si no lo son, significa que la bomba no es
exactamente la adecuada para esas condiciones
específicas.
El punto de funcionamiento o punto óptimo de una
bomba solodinámica es el de la curva H – Q que
corresponde a un rendimiento máximo. Cuanto mas empinada
se la curva H – Q, mas significativo será el efecto
de cualquier cambio de
altura en el punto de funcionamiento.
Por ejemplo, una bomba con una curva H – Q
empinada presentará un pequeño cambio de
descarga pero la altura variará mucho si se desplaza el
punto de funcionamiento, en cambio una bomba cuya curva H –
Q sea plana, mostrará un gran cambio de capacidad pero la
altura variará poco al desplazarse el punto de
funcionamiento
Las curvas H – Q para las bombas
centrífugas son sustancialmente planas, con tendencia a
que el sedimento máximo se sitúe inmediatamente
después de la capacidad media.
Las curvas H – Q para una bomba de flujo axial es
aún más empinada, con su punto de demanda en la
descarga nula y su curva de potencia es
decreciente.
Un factor importante para el funcionamiento
satisfactorio de una bomba es evitar la cavitación, tanto
para obtener un buen rendimiento como para evitar daños en
el impulsor. Cuando un líquido pasa por el impulsor de una
bomba, se produce un cambio de presión. Si la
presión absoluta de un líquido cae por debajo de s
presión de vapor, se producirá cavitación.
Las zonas de vaporización obstruyen el flujo limitando la
capacidad de la bomba. Cuando el fluido avanza a una zona de
mayor presión, las burbujas colapsan y su implosión
puede producir un picado del impulsor la cavitación suele
producirse con mas frecuencia cerca de la salida (periferia) de
los impulsores de flujo radial y mixto, donde se alcanzan las
velocidades mayores. También puede aparecer en la
aspiración del impulsor, donde las presiones son menores.
En el caso de las bombas de flujo axial, l parte mas vulnerable a
la cavitación es el extremo de los
álabes.
Para las bombas se define el parámetro de
cavitación como
para evitar que se produzca cavitación, la bomba
debe funcionar de manera que s sea mayor que s c. Esto puede conseguirse
seleccionando el tipo, tamaño de bomba y la velocidad de
funcionamiento adecuados, y situando la bomba en el punto y a la
elevación correcta dentro del sistema.
La expresión para s indica que s tenderá a ser pequeño (por
lo que existirá la posibilidad de cavitación) en
las siguientes situaciones: a) grandes alturas de bombeo; b)
presión atmosférica; c) grandes valores de ze,
es decir, cuando la bomba se encuentra a una elevación
relativamente grande comparada con la elevación de la
superficie del agua del depósito; e)valores
grandes de presión de vapor, es decir, altas temperaturas
y/o bombeo de líquidos muy volátiles como
gasolina.
La cavitación ocurre cuando la presión
absoluta dentro de un impulsor cae por debajo de la
presión del vapor del líquido y se forman burbujas
de vapor. Estos se contraen mas adelante en los álabes del
impulsor cuando llegan a una región de dispersión
mas alta. La (MPS)r mínima para una capacidad y velocidad
dadas se define como la diferencia entre la carga absoluta de
succión y la presión de vapor del líquido
bombeado a la temperatura de
bombeo y que es necesario para evitar la
cavitación.
La cavitación de la bomba se nota cuando hay uno
o mas de las siguientes señales: ruido,
vibración, caída en la curva de capacidad de carga
y eficiencia, con
el paso del tiempo, por los
daños en el impulsor por picaduras y erosión.
Como todas estas señales son inexactas, se hizo necesario
aplicar ciertas reglas básicas para establecer cierta
uniformidad en la detección de la
cavitación.
Las bombas centrífugas también se utilizan
para bombear líquidos con viscosidades diferentes a las
del agua. Al aumentar la viscosidad, la
curva altura caudal se hace mas vertical y que la potencia
requerida aumenta. La línea discontinua indica los puntos
de máximos rendimiento para cada curva. Se observa que
tanto la altura como el caudal disminuyen en el punto de
máximo rendimiento.
Dos de las principales pérdidas en una bomba
centrífuga son por fricción con el fluido y
fricción con el disco. Estas perdidas varían con la
viscosidad del
líquido de manera que la carga – capacidad de
salida, así como de la toma mecánica difiere de los valores
que se obtienen cuando se maneja agua.
Es necesario, sin embargo, conocer las tres unidades
diferentes que pueden encontrarse para describir la viscosidad de
un líquido en especial:
- Segundos Saybolt Universal, o SSU
- Centistokes – que define la viscosidad cinemática.
- Centiposes – que definen la viscosidad
absoluta.
Se han hecho muchas pruebas
experimentales para determinar el efecto de la viscosidad del
líquido en el funcionamiento de diversas bombas
centrífugas. Aun con datos muy
extensos sobre el efecto de la viscosidad.
Es difícil predecir con precisión el
funcionamiento de una bomba cuando maneje un fluido viscoso de su
comportamiento
cuando emplea agua fría.
Cuando se aplican bombas ordinarias de agua fría
para usarse en el bombeo de líquidos viscosos, se debe
tener cuidado para asegurarse de que el diseño
de la flecha es lo bastante fuerte para la potencia necesaria,
que puede ser un considerable esfuerzo en los caballos de fuerza
al freno para agua fría, aunque pueda ser el peso
específico del líquido menor que el del
agua.
Al seleccionar bombas para una aplicación dada,
tenemos varias bombas entre las que elegir. Haremos lo posible
para seleccionar una bomba que opere con un rendimiento
relativamente alto para las condiciones de funcionamiento
dadas.
Los parámetros que se deben investigar incluyen
la velocidad específica Ns, el tamaño D
del impulsor y la velocidad de operación n. Otras
posibilidades son el uso de bombas multietapa, bombas en serie,
bombas en paralelo, etc. Incluso, bajo ciertas condiciones,
limitar el flujo en el sistema puede producir ahorros de
energía.
El objetivo es
seleccionar una bomba y su velocidad de modo que las
características de funcionamiento de la bomba en
relación al sistema en el cual opera sean tales que el
punto de funcionamiento esté cerca del PMR (punto de
máximo de rendimiento). Esto tiende a optimizar el
rendimiento de la bomba, minimizando el consumo de
energía.
El punto de operación puede desplazarse cambiando
la curva características de la bomba, cambiando la curva
característica del sistema o cambiando ambas curvas. La
curva de la bomba puede modificarse cambiando la velocidad de
funcionamientos de una bomba dada o seleccionando una bomba
distinta con características de funcionamiento diferentes.
En algunos casos puede ser una ayuda ajustar el impulsor, es
decir, reducir algo su diámetro, alrededor de un 5 por
100, mediante rectificado. Este impulsor mas reducido se instala
en la cubierta original. La curva característica del
sistema puede cambiarse modificando el tamaño de la
tubería o estrangulando el flujo.
Una complicación que se presenta a menudo es que
los niveles de ambos extremos del sistema no se mantienen
constantes, como ocurre si los niveles de los depósitos
fluctúan. En tal caso es difícil alcanzar un
rendimiento alto para todos los modos de funcionamiento. En casos
extremos a veces se utiliza un motor con velocidad
variable.
El procedimiento de
selección de una bomba que permita una
recirculación segura es:
- selecciones una bomba que produzca el flujo de
descarga Qa deseado. La curva E es la característica de
carga y capacidad de la bomba y la curva a es la de carga del
sistema para la descarga hacia el tanque A. La bomba funciona
con una carga de Hop. - para incluir recirculación continua en el
sistema de bombeo, hay que aumentar el caudal de la bomba con
la carga Hop de funcionamiento para mantener una descarga de
Qa hacia el tanque A y, al mismo tiempo, una
recirculación Qb de retorno al tanque B. Para
lograrlo, se selecciona el tamaño inmediato mayor de
impulsor con la curva de rendimiento F.
en donde H, es la carga de corte de la bomba con la
curva de rendimiento F. - si se conoce el flujo Qb con la curva Hop de
funcionamiento para orificio y tubo de recirculación, el
flujo de recirculación Qs, en el punto de corte de la
bomba se puede determinar con: - Calcúlese el flujo mínimo seguro, Qmin,
para la bomba con curva de rendimiento F y la ecuación
(2) y conviértase Wmin a Qmin. - Compárese la recirculación, Qs, en el
punto de corte de la bomba contra el flujo seguro
mínimo, Qmin. Si Qs, es mayor que o igual a Qmin, esto
concluye el proceso de
selección.
Si Q, es menor que Qmin, selecciónese el
tamaño inmediato mayor de impulsor y repítase los
pasos 3, 4 y 5 hasta
Determinar el tamaño de impulsor que produzca
la recirculación mínima segura.
Instalación de Bombas en la Industria de
Alimentos:
Los productos que
manipulan las bombas en la industria de
la alimentación pueden ser desde soluciones
acuosas y aceites vegetales ligeros a jarabes y melazas e gran
viscosidad, desde líquidos puros a los que tienen gran
proporción de sólidos. Dada la extensa variedad de
características de estos medios. La
industria emplea casi todos los tipos de bombas, con ciertas
preferencias en aplicaciones concretas, como en el caso de las
máquinas específicamente proyectadas
como bombas para producto
alimenticio con partículas atención con los detalles a
estudiar.
La condición principal que deben cumplir estas
bombas es que no contaminen el producto en
modo alguno. Básicamente esto significa que la bomba no
debe ser sensible al ataque corrosivo o abrasivo por parte del
producto que se manipula y que no le teñirá en
absoluto. Al final de un periodo de utilización, la bomba
puede verse obligada a cierto tiempo de inactividad, o incluso
pasar a manipular un producto diferente. La facilidad de limpieza
y la eliminación eficaz de cualquier residuo de producto
son, pues, esenciales y ello debe conseguirse mediante una simple
purga; cuando se trata de una bomba de diafragma, el material
elegido para este será, normalmente el caucho blanco
suave, o bien, si la resistencia
ataque químico ha de ser mas elevada, el "hipalón".
Igualmente puede ser necesario que la cabeza de válvula,
estas y las conexiones de aspiración de descarga sean de
vidrio o de
material estéril en lugar de metal.
Basadas en la experiencia se han establecido ciertas
condiciones para los materiales.
Así, en las bombas centrífugas utilizadas en la
manipulación de zumos de melocotones o peras, la caja
suele ser de fundición y los rodetes de bronces excepto de
cinc, pero esta combinación no conviene par las cerezas
aunque su valor de
pH sea
parecido. En este caso se recurre a la construcción totalmente de bronce. Por otra
parte los tomates y las leches sugieren virtualmente el uso de
bombas de acero
inoxidable.
Si algún material existe con las máxima
posibilidades de aplicación en bombas para productos
alimenticios es el hacer inoxidable, a pesar de que no deja de
tener sus limitaciones sobre todo si el líquido manipulado
es electrolito activo, como la salmuera.
Es importante que la bomba se proyecte y se construya de
forma que el desmontaje y la limpieza sean operaciones
fáciles, dado que quizás deban realizarse a diario
o a intervalos regulares (según el proceso)
aparte de la facilidad de repararlas y montarlas de nuevo, las
superficies internas deben ser lisas y exentas de grietas y
puntos de acumulación de suciedad. Esto se tendrá
en cuenta al proyectar una bomba para procesos de la
industria alimenticia.
FRANQUINI B. Joseph / FINCMORE E. John. Mecánica
de Fluidos con Aplicaciones en Ingeniería. McGraw – Hill, España
1997
TYLERG Hicks. BME, Bombas, su Elección y
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MENAUGHTON KENNETCH. Bombas: Selección y Mantenimiento.
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Documento cedido por:
JORGE L. CASTILLO T.