BOMBAS CENTRÍFUGAS

INTRODUCCIÓN Y FUNCIONAMIENTO

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.

Importancia

Son ampliamente utilizadas en procesos donde se requiere el transporte de una cantidad significativa de flujo a un alto nivel de cabeza para así poder vencer grandes alturas y distancias muy largas.

Se estima que aproximadamente el 70% de la producción total de las bombas corresponde a bombas centrifugas. Esta es una medida de la importancia de este tipo de bombas.

Son ampliamente usadas en aplicaciones mineras (por su facilidad para manejar sólidos), en acueductos, industrias químicas, oleoductos y aplicaciones domesticas.

Objetivo de una bomba El objetivo de tener

una bomba es añadir energía al fluido, lo que da como resultado un incremento en la presión de este, no necesariamente un aumento en la velocidad del fluido cuando pasa por la bomba.

Los elementos de que consta una instalación son:

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

b) El impulsor o rodete, formado por un conjunto de álabes que pueden adoptar diversas formas, según la misión a que vaya a ser destinada la bomba, los cuales giran dentro de una carcasa circular. El rodete es accionado por un motor, y va unido al eje, siendo la parte móvil de la bomba.

c) La voluta es un órgano fijo que esta dispuesta en forma de caracol alrededor del rodete. Su misión es la de recoger el líquido que abandona el rodete 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 frena la velocidad del líquido, transformando parte de la energía dinámica creada en el rodete en energía de presión.

d) Una tubería de impulsión, instalada a la salida de la voluta, por la que el líquido es evacuado a la presión y velocidad creadas en la bomba.

CÁLCULO DEL NÚMERO DE ÁLABES

Cuando a la bomba centrífuga se la supone trabajando en condiciones ideales, el número de álabes se considera infinito. Para el trabajo de una bomba centrífuga real, el número de álabes tiene que ser finito, estando este número comprendido entre 4 y 16; en este caso, el movimiento relativo del líquido entre los álabes del rodete impulsor ya no tiene carácter de chorro, como se supone tiene para infinitos álabes, resultando por lo tanto, una distribución de velocidades irregular.

Los principales tipos de bombas centrífugas son:

a) Radiales, axiales y diagonales. b) De impulsor abierto, semiabierto y

cerrado c) Horizontales y verticales.

a) BOMBAS RADIALES, AXIALES Y DIAGONALES.-

Se ha considerado como bombas centrífugas desde las propiamente centrífugas o radiales, en las que la energía se cede al líquido esencialmente mediante la acción de la fuerza centrífuga, hasta las axiales, en las que la energía se cede al líquido por la impulsión ejercida por los álabes sobre el mismo.

En las bombas centrífugas radiales la corriente líquida se verifica en planos radiales, en las axiales en superficies cilíndricas alrededor del eje de rotación y en las diagonales radial y axialmente, denominándose también de flujo

mixto.

b) BOMBAS DE IMPULSOR ABIERTO, SEMIABIERTO Y CERRADO.- Según su diseño mecánico o estructural, se pueden distinguir tres tipos de impulsores:

a) De álabes aislados (abiertos) b) Con una pared o disco lateral de

apoyo (semiabiertos) c) Con ambas paredes laterales

(cerrados).

IMPULSORES ABIERTOS.- En un impulsor abierto, los álabes desnudos van unidos únicamente al eje de giro y se mueven entre dos paredes laterales fijas pertenecientes a la carcasa de la bomba, con tolerancias laterales lo más estrechas posibles para evitar fugas.

IMPULSORES SEMIABIERTOS.- Los impulsores con una sola pared lateral, que siempre es la posterior, se emplean con cierta frecuencia, destacando las bombas de flujo mixto y todas las axiales.

IMPULSORES CERRADOS.- Los impulsores cerrados tienen los álabes colocados entre dos paredes laterales, anterior o de aspiración y posterior.

Las ventajas del impulsor abierto sobre el cerrado son:

a) La menor tendencia a obstruirse que le hace adecuado para líquidos sucios

b) El menor roce hidráulico del disco, al tener sólo una pared girando, de lo que se deduce un buen rendimiento

c) Una mayor accesibilidad de los álabes para el mecanizado, lo que permite conseguir mejores acabados

d) Una mayor facilidad de construcción, con modelos más sencillos, por lo que se puede utilizar una mayor variedad de materiales constructivos con un coste menor de fabricación.

Aunque al principio los impulsores se hacían abiertos, de doble aspiración, hoy en día han caído en desuso por dificultades de ajuste y sólo se fabrican los de aspiración simple.

Los impulsores cerrados pueden resistir mucho mejor cualquier flexión del eje, o contracciones y dilataciones mayores de las previstas, por lo que son más adecuados para servicios de altas temperaturas.

c) BOMBAS HORIZONTALES Y VERTICALES.- El eje de rotación de una bomba puede ser horizontal o vertical, (rara vez inclinado).

BOMBAS HORIZONTALES.- La disposición del eje de giro horizontal presupone que la bomba y el motor se hallan a la misma altura; éste tipo de bombas se utiliza para funcionamiento en seco, exterior al líquido bombeado que llega a la bomba por medio de una tubería de aspiración. Las bombas centrífugas, sin embargo, no deben rodar en seco, ya que necesitan del líquido bombeado como lubricante entre aros rozantes e impulsor, y entre empaquetadura y eje.

BOMBAS VERTICALES.- Las bombas con eje de giro en posición vertical tienen, casi siempre, el motor a un nivel superior al de la bomba, por lo que es posible, al contrario que en las horizontales, que la bomba trabaje rodeada por el líquido a bombear, con el motor por encima de éste.

CAVITACIÓN EN BOMBAS CENTRÍFUGAS

Las bombas centrífugas funcionan con normalidad si la presión absoluta a la entrada del rodete no está por debajo de un determinado valor; cuando el líquido a bombear se mueve en una región donde la presión es menor que su presión de vapor, vaporiza en forma de burbujas en su seno, las cuales son arrastradas junto con el líquido hasta una región donde se alcanza una presión más elevada y allí desaparecen; a este fenómeno se le conoce como cavitación.

Si a la entrada del rodete la presión es inferior a la presión parcial del vapor pv se forman las burbujas de vapor que:

a. Disminuyen el espacio utilizable para el paso del líquido.

b. Perturban la continuidad del flujo debido al desprendimiento de gases y vapores disueltos.

Disminuyendo el caudal, la altura manométrica, el rendimiento de la bomba, etc.Si la bomba funciona en estas condiciones durante cierto tiempo se puede dañar.

BOMBAS CENTRÍFUGASACOPLAMIENTOS Y EMPUJE AXIAL

Las bombas centrífugas tienen limitado su número de revoluciones específico, por eso, cuando se requieren alturas superiores a las que pueden obtenerse con un solo rodete simple, el problema se resuelve asociando rodetes en serie.

Este acoplamiento en serie se puede realizar de dos formas:

a) Mediante rodetes múltiples. b) Colocando en serie las bombas de

rodete simple.

Otro tanto sucede para el caso de bombas o rodetes acoplados en paralelo, el problema se resuelve asociando rodetes en paralelo.

Dicho acoplamiento en paralelo se puede realizar de dos formas:

a) Mediante rodetes múltiples. b) Colocando en paralelo las

bombas de rodete simple.

Cuando se tenga que bombear a grandes alturas pequeños caudales, la velocidad específica para un solo rodete puede ser muy baja, lo que implica rendimientos inaceptables; para evitar esto se puede subdividir la altura total entre varios impulsores acoplados en serie, y así acercarse a velocidades específicas de mejores rendimientos.

EMPUJE AXIAL

Sobre el impulsor de una bomba centrífuga actúan fuerzas antagónicas sobre ambas caras, como consecuencia de la presión que actúa sobre las mismas.

La presión a cada lado del rodete suele ser diferente, lo que ocasiona un empuje en la dirección del eje que se debe compensar mediante el empleo de cojinetes de empuje.

Los cojinetes de empuje absorben cargas axiales de los ejes giratorios en las carcasas estacionarias o montajes en los que están girando. Las cargas axiales son las que se transmiten linealmente a lo largo del eje.

La voluta, cámara espiral o caracol, es un canal de sección creciente que rodea por completo al impulsor y termina en un cono divergente en el que continúa el proceso de difusión. La principal ventaja del difusor de voluta es su sencillez.

DATOS DE RENDIMIENTO

Debido a que las bombas centrifugas no son de los tipos de desplazamiento positivo, existe una dependencia fuerte entre la capacidad y la presión que debe desarrollar la bomba.

CURVA DE RENDIMIENTO DE BOMBA CENTRIFUGA

LEY DE AFINIDAD PARA BOMBAS La mayoría de las bombas

centrifugas se operan a velocidades distintas para obtener capacidades variables. Además, una carcasa de bomba de tamaño dado es susceptible de dar acomodo a impulsores de diámetro diferentes.

Es importante entender la manera en que varia la capacidad, la carga y la potencia, cuando se modifica la velocidad o el diámetro del impulsor.

N= velocidad (rpm)

Supunga que la bomba cuyos datos de rendimiento están graficados en la figura de abajo, operaba a una velocidad de rotación de 1750 rpm, y que el diámetro del impulsor era de 13 pulgadas. En primer lugar, determine la carga que daría lugar una capacidad de 1500 gal/min, y la potencia que se necesita para impulsar la bomba. Después, calcule el rendimiento para una velocidad de 1250 rpm.

Carga total: 130 pies.Potencia requerida:50 hp.

Cuando la velocidad cambia a 1250 rpm, el rendimiento nuevo se calcula por medio de las leyes de afinidad.

Capacidad: Q2= Q1(N2/N1)= 1500(1250/1750)=1071 gal/min

Carga:Ha2= Ha1(N2/N1)^2= 130(1250/1750)^2= 66.3 pies

Potencia= P2= P1(N2/N1)^3= 50(1250/1750)^3= 18.2 hp

Observe la disminución significativa d ela potencia que se requiere para obtener la bomba. Si la capacidad y carga disponibles son adecuadas, se tendrá ahorros grandes en costos de la energía al modificar la velocidad de operación de una bomba.