SELECCINDE BOMBASPARA RIEGO

Claudio Garca1Adroaldo Dias Robaina2Marcelo Calgaro3

1 Ing. Agr., MSc, INIA LAS BRUJAS, email: cgarcia@inia.org.uy2 Ing.Agr., Dr., Profesor Titular , Universidad Federal de Santa Maria, RS, Brasil.3 Ing. Agr., MSc, Programa Posgraduacin de Ingeniera Agrcola, UFSM, Brasil.

TITULO: SELECCIN DE BOMBAS PARARIEGO

AUTORES: Claudio GarcaAdroaldo Dias Robaina

Marcelo Calgaro

Serie Tcnica N 132

2003, INIA

ISBN: 9974 -38 -173 -8

Editado por la Unidad de Agronegocios y Difusin del INIAAndes 1365, Piso 12. Montevideo - Uruguay

PginaWeb: www.inia.org.uy

Quedan reservados todos los derechos de la presente edicin. Este libro nose podr reproducir total o parcialmente sin expreso consentimiento del INIA.

NDICE

INTRODUCCINRESUMEN

1. BOMBAS HIDRULICAS 2

2. CARACTERSTICAS de las BOMBAS HIDRULICAS 2

3. SELECCIN de BOMBAS 23.1 Parmetros relativos a la instalacin 2

3.1.1 Caudal necesario (Q) 33.1.2 Dimetro de las tuberas 3

3.1.3 Altura manometrica total Hm 4

3.1.3.1 Altura manometrica de impulsin Hmr 43.1.3.2 Altura manometrica de succin Hm 4

s

3.1.4 NPSH disponible 53.2P armetros relativos a la bomba 5

3.2.1 Rendimiento de la bomba Rb 5

3.2.2 NPSH requerido 63.3 Tipo de bomba 73.4 Preseleccin 8

3.5 Seleccin definitiva 9

3.6 Especificacin de la bomba 10

4. BIBLIOGRAFA 11

SELECCINDE BOMBASPARA RIEGO

INTRODUCCIN

El presente trabajo tiene como objetivoprincipal el contribuir con elementos quepermitan al tcnico asesor, elegir de la mejormanera posible el conjunto moto-bomba msadecuado para una situacin particular en unaexplotacin agropecuaria.

El principal rol que cumplen las bombas quese usan a nivel agropecuario es el suministraragua de la manera ms eficiente posible a loscultivos. Para eso es muy importante laseleccin de la misma.

Una seleccin inadecuada de la bomba

puede llevar a tener consecuencias tanto delpunto de vista econmico por el gasto de energainnecesario, como por problemas de deterioroambiental por erosin de suelo y lavado de

nutrientes, adems de los perjuicios fsicos dela produccin por no obtener los rendimientosesperados.

La correcta seleccin de una bomba requiereque entregue un caudal adecuado en relacinpor un lado a la necesidad de agua de loscultivos y a las caractersticas fsicas del suelo

y por otro a una presin de servicio que estrelacionada con el tipo de riego que va a aplicarel agua en el campo.

En la presente publicacin se describen lospasos que tcnicos asesores o quienes tenganla necesidad de comprar una bomba, deberan

seguir para en el momento de la eleccin de lamisma puedan estar seguros que lo que estnsolicitando a las firmas proveedoras esexactamente lo que precisan para su uso enla explotacin agrcola.

RESUMEN

El proceso de seleccin de una bomba parariego consta de varias etapas que van desde ladeterminacin de los parmetros de instalacinhasta la seleccin definitiva y especificacindel modelo seleccionado. Los parmetrosrelativos a la instalacin son bsicamentedeterminar el caudal, la presin y el NPSHdisponible. Medidas todas realizadas medianteclculos, en base a las necesidades para cadasituacin. Los parmetros relativos a la bombason los que caracterizan a la misma y seobtienen mediante ensayos de laboratoriorealizados por los fabricantes. Los resultados

generados en estos ensayos, se traducen enel comportamiento cuali-cuantitativo de labomba, esto referido a la altura manometrica,la potencia en el eje de la bomba, elrendimiento o eficiencia de la misma y el NPSH

requerido para cada velocidad de rotacin de labomba ensayada. A partir de este punto se esten una situacin de elegir el tipo de bomba(centrfuga, axial, etc.). Con el tipo de bombaelegido se realiza una preseleccin de la mismaen base a las caractersticas presentadas encatlogos por los diferentes fabricantes.

Por ltimo para la seleccin definitiva de labomba se debe realizar un anlisis comparativo

1 Ing.Agr., MSc, INIA LAS BRUJAS, email: cgarcia@inia.org.uy2 Ing.Agr., Dr., Profesor Titular , Universidad Federal de Santa Mara, RS, Brasil.3 Ing.Agr., MSc, Programa Posgraduacin de Ingeniera Agrcola, UFSM, Brasil.

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de los aspectos tcnicos y econmicos dedistintos modelos y marcas, de manera deencontrar la mejor solucin que se adeca a lasituacin en que la bomba va a trabajar.

Palabras claves: potencia, rendimiento,succin, cavitacin.

1. BOMBAS HIDRULICAS

Las bombas hidrulicas son mquinas, quereciben el trabajo mecnico dado por una fuentede accionamiento (motor) y lo transforma enenerga de presin y velocidad, permitiendo lacaptacin y elevacin del agua desde una fuentede abastecimiento (tajamar, ro, etc.) y suconduccin hasta el punto de descarga deacuerdo con las necesidades (caudal) y lascaractersticas topogrficas (desnivelgeomtrico y distancia desde la bomba) delrea a ser regada.

2. CARACTERSTICAS DELAS BOMBAS HIDRULICAS

Las bombas hidrulicas utilizadas para riegopara uso agropecuario son clasificadas comobombas hidrodinmicas (turbo-bombas o roto-dinmicas), pudiendo ser de tipo centrfugas oradiales (lentas, normales o rpidas), mixtas odiagonales (ultrarrpidas o hlico-centrfugas yhelicoidales) y axiales o propulsoras. Presentancaractersticas de ser normalmente decaudales medios a altos, presin media y baja,de eje horizontal, vertical e inclinado, succinsimple o doble, un nico estadio, rotorescerrados, semi-cerrados y abiertos, carcasasbipartida vertical u horizontalmente, no sonautocebantes y son instaladas de forma

sumergidas o no sumergidas, siendo que lassegundas pueden ser de succin positiva o desuccin negativa.

3. SELECCIN DE BOMBAS

El proceso de seleccin de bombas, desdeel punto de vista hidrulico, sigue las siguientesetapas: determinacin de los parmetros deinstalacin y de la bomba, determinacin deltipo de bomba, preseleccin, verificacin delfuncionamiento sin cavitacin, seleccin yespecificacin del modelo seleccionado.

3.1. PARMETROS RELATIVOS A LAINSTALACIN

Los parmetros que caracterizan elfuncionamiento de la instalacin de una bombason el caudal del sistema (Q), la alturamanometrica total (Hm) y el NPSH (ver 3.1 .4)disponible. En la figura 1 es mostrado unesquema de una instalacin de bombeo parariego.

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1 - VLVULA DE PIE CON CRIBA2 - TUBERA DE SUCCIN3 - REDUCCIN EXCNTRICA4 -BOMBA HIDRULICA5 - MOTOR (ELCTRICO O DIESEL)

REDUCCIN CONCNTRICAVLVULA DE RETENCINVLVULA DE GUILLOTINATUBERA DE IMPULSIN

10 -CURVA DE 909

Figura 1. Esquema de una instalacin de bombeo para riego (Kerber, 1987).

3.1.1. CAUDAL NECESARIO (Q)

De acuerdo con BELTRAME & LOUZADA

(s.n.t), del Instituto de InvestigacionesHidrulicas de la Universidad Federal de RoGrande del Sur, en el caso del cultivo de arroz,el caudal que pasa por una unidad de rea (q)es del orden de 1 .72 l/s por hectrea. Conocidael rea a ser regada (h), el caudal necesarioes obtenido por Q = q.A/1000, siendo Q elcaudal necesario en m3/s.

De acuerdo con la CEEE (1989), despusde definido el caudal necesario para el cultivo,se puede dividir el caudal determinado en doso ms conjuntos de moto-bomba.

3.1.2. DIMETRO DE LAS TUBERAS

El dimensionamiento de las tuberas de

impulsin es un problema hidrulicamenteindeterminado. Diseando la impulsin conbajas velocidades, resulta en dimetrosrelativamente grandes, implicando un costoelevado de la tubera y en menores gastos conlas bombas y energa (electricidad o diesel),por el hecho de resultar en menores alturas

manomtricas. Altas velocidades posibilitan eluso de dimetros menores, de costo ms bajopero causando elevadas prdidas de carga yen consecuencia, exigiendo mayor gasto deenerga.

El problema de la seleccin deldimetro de tubo para la impulsin presentainfinitas soluciones desde el punto de vistahidrulico y esta indeterminacin solamente eslevantada admitiendo otra condicin, llamadacondicin de mnimo costo de la instalacin.

Un anteproyecto del dimensionamiento deldimetro de la tubera de impulsin, muyprximo de aquel que minimiza el costo de lainstalacin, es realizado a travs de la siguiente

frmula, dr = kQ0'5 , donde dr es el dimetrode la tubera de impulsin (m), Q es el caudal(m3/s), y k es un coeficiente. De modo general,k varia de 0.6 a 1.4, pudiendo ser utilizadok=1.0.

El dimetro as calculado no siemprecoincide con los dimetros comercialmente

disponibles, siendo utilizado el dimetro

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comercial inmediatamente superior alcalculado. Con el dimetro seleccionado lavelocidad del agua en la tubera (mis) de lasuccin podr ser verificada por:

vs = 1.2132Q/ds2 , teniendo como lmitemximo de velocidad 1 .5 m/s.

3.1 .3.ALTURAMANOMETRICATOTAL HM

La altura manometrica total es la suma deldesnivel topogrfico entre el punto de captacin(tajamar, ro, etc.) y el punto de descarga (ej:canal de riego) con la prdida de carga total,siendo la misma compuesta de dos partes:prdida de carga principal (rozamiento) yprdida de carga secundaria (turbulencia). Laprimera depende del caudal, tipo de material(acero, hierro fundido, PVC), estado deconservacin y dimetro de las tuberasutilizadas y la distancia de bombeo; la segundadepende del nmero y del tipo de accesoriosque componen la instalacin.

La altura manometrica total es la suma dedos componentes: la altura manometrica deimpulsin y la altura manometrica de succin,resultando de la siguiente manera,

Hm = Hm + Hm .

3.1.3.1. ALTURA MANOMETRICA DEIMPULSIN HMR

La altura manometrica de impulsinrepresenta la presin positiva que la bombadeber producir para elevar el agua desde elrotor de la bomba hasta el punto de descargams un adicional destinado a vencer lasresistencias ofrecidas en ese trecho, prdidasde la tubera y los accesorios utilizados (vlvulade retencin, vlvula de guillotina, juntas, juntade dilatacin, curva de radio largo, salida paracanalizacin, etc.).

Hmr =Hg+0.0S26xfrx^Tlrx\ l + Skrx-r Sr dr5 I frxlr)donde Hgr es la altura geomtrica de recalque

(m), fr es un coeficiente de prdida de carga(Tabla 1 en anexo), Q es el caudal (m3/s), dr esel dimetro de la tubera de recalque (m), Ir esla longitud de la tubera de impulsin y Skr esla suma de los coeficientes de los accesorios

que sern utilizados en la tubera de recalque.Los valores de kr de cada accesorio puedenser obtenidos en la Tabla 2.

Tabla 2. Coeficiente kr de diferentes tipos de accesorios utilizados en la tubera de recalque.

Tipo de accesorio kr Tipo de accesorio KrAmpliacin gradual 0.30 Junta de dilatacin 0.75Curva de 90 (radio largo) 0.40 Vlvula de retencin 2.50Curva de 45 (radio largo) 0.20 Vlvula de guillotina 0.20Curva de 22.5 (radio largo) 0.10 Salida de canalizacin 1.0Juntas 0.40

3.1.3.2 ALTURA MANOMETRICA DESUCCIN HMS

La altura manometrica de succin representala presin negativa que la bomba deberproducir para elevar el agua desde el lugar decaptacin hasta el rotor de la bomba, ms un

adicional destinado a vencer las resistenciasofrecidas en ese tramo, prdidas en la tuberay los accesorios utilizados (criba, vlvula depie, reduccin excntrica, curva de 90), siendodeterminado por:

Q2Hms = Hgs + 0.0826x fs x^-j Is xds

fl + Sksx

ds \

V fsxls

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donde, Hgs es la altura geomtrica de succin(m), fs es un coeficiente de prdida de carga(Tabla 1), Q es el caudal en (m3/s), ds es eldimetro de la tubera de succin (m) y Sks esla suma de los coeficientes de los accesorios

que sern utilizados en la tubera de succin.

Esa tubera debe ser lo ms corta posible ycontar apenas con los accesorios

indispensables para una adecuada operacin.Los valores de ks de cada accesorios puedenser obtenidos en la tabla 3.

Tabla 3. Coeficiente ks de diferentes tipos de accesorios utilizados en la tubera de succin.

Tipo de accesorio ks Tipo de accesorio KsCriba livianoCriba normalCurva de 90 (radio largo)

0,752,250,40

Reduccin gradualVlvula de pie

0,151,75

3.1.4. NPSH DISPONIBLE

Se denomina NPSH disponible al valor de ladiferencia entre la energa total absoluta dellquido en la entrada de la bomba y el valor dela presin de vapor de agua a la temperaturaen la que est siendo bombeada. El valor deNPSH disponible depende de la forma como labomba fue instalada, o sea, es unacaracterstica de la instalacin, expresada por:

NPSHd =Patm Pv Patm

Hms .dondey y y

es la presin atmosfrica en el lugar de la

Pvinstalacin, es la presin de vapor del agua

(m) y Hms es la altura manometrica de succin

Patm(m). Los valores de se encuentran en la

y

Eltabla 4 y los valores de en la tabla 5.

y

Tabla 4. Presin atmosfrica (Patm/y) en funcin de la altitud

Altitud (m) 0 25 50 100 150 200 300 400 500 600Patm/y (m) 10,33 10,30 10,27 10,21 10,15 10,09 9,97 9,95 9,73 9,62

Tabla 5. Presin de vapor (Pv/y) en funcin de la temperatura

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3.2.1 . RENDIMIENTO DE LA BOMBA (RB)

En la ecuacin anterior se observa quepara un determinado par de valores Q y Hm, lapotencia de la bomba ser MNIMA cuando seselecciona una mquina que sea capaz derealizar el trabajo pretendido con el MAYORrendimiento posible.

El grfico de la figura 2, presenta los

Los valores de rendimiento o eficienciaobtenidos en los grficos de la figura 2 sirvencomo una orientacin para que la bombaseleccionada presente rendimiento para losvalores de Q y Hm pretendidos, lo MSPRXIMO posible de los obtenidos en losgrficos.

3.2.2. NPSH REQUERIDO

El NPSH requerido (NPSHr) es la energaresidual mnima que el agua debe tener para

rendimientos de bombas de diversos tipos enfuncin de la Rotacin Especfica, Ns, calculadacon los valores de Q y Hm, en el punto demxima eficiencia (QUNTELA, 1981;BARBOSA, 1986).

Q05Ns = Nx donde, Q (m3/s),Hm075

Hm (m) y N rotacin del rotor de la bomba (rpm).

que la bomba pueda operar sin riesgo depresentar problema de cavitacin. Es unacaracterstica de la bomba, obtenida enensayos de laboratorio, que vara en funcindel caudal y de la rotacin del rotorde la bomba.Los fabricantes debern presentar las curvasde NPSHr de las bombas por elloscomercializadas.

100

90

g8OH

w 70

O

UJ 60CC

50

40

CENTRIFUGAS MIXTAS AXIALES

- up er or a 600 l/s"

^^ . .\

\\^*

*

..sY

y*

,-00 ai 00 I/!

/y S< \ V_ - 6 Da 20( l/_^ ^ \ - 30 a6C l/s

y/ y X ^ 12a 0l/s

/ s v_ 6a 1 2 l/s/ \ Inferior 1 6 l/s

10 20 40 60 80 100 200 300

REVOLUCIONES POR MINUTO (r.p.m.)

Figura 2. Rendimiento de bombas hidrulicas (Quntela, 1981).

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_, 6

/f

/

29 30 'F .m.\

-1450 r.p.m.

6 8 10 20 40 60 80 100 200

CAUDAL (l/s)

Figura 3. Curva del NPSHr en funcin del caudal y de las revoluciones del rotor (Barbosa, 1986).

En los casos en que no se cuenta con elNPSHr, se puede determinar el NPSHr porfrmulas que estiman ese parmetro en funcinde un coeficiente, conocido como coeficientede cavitacin de Thoma (MACINTYRE, 1 990).De esta forma el NPSHr es estimado por:

4 2

NPSHr = CtxN'xQ1 donde N esel nmero de rotacin del rotor de la bomba(rpm), Q es el caudal (m3/s) y Ct es elcoeficiente 0.0011 para las bombas centrfugas,0.001 3 para las bombas mixtas y 0.001 45 paralas bombas axiales (JARDIM, 1 992). Esa formade clculo debe ser utilizada para valores de

Q correspondiente o muy prximo del punto demximo rendimiento de la bomba.

3.3. TIPO DE BOMBA

La seleccin del tipo de bomba a utilizar enuna instalacin con caractersticas hidrulicasconocidas, puede ser realizada a partir delcaudal Q y la altura manometrica (Hm). Elgrfico de la figura 4, define el campo deaplicacin de las bombas de diferentes tiposen funcin del caudal y la altura manometricatotal.

300

-S 100X