Una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud.

La bomba suministra energía a un líquido para su transporte contra la acción de la gravedad, o para alcanzar un recipiente a presión o para vencer la resistencia por fricción, entre otras.

La energía consumida por una bomba es función de:

La altura a través de la cual se eleva el fluido.

La presión que se requiere en la descarga del fluido

Las propiedades fisicoquímicas del fluido: densidad y viscosidad

Bombas centrífugas:

Servicios generales y bombas de productos químicos: Servicios no críticos y no

peligrosos. La mayoría de ellas (no todas) construidas de acuerdo a ANSI Standard

B73.1 (Horizontal End-Suction) o ANSI Standard B73.2 (Vertical In-Line)

Heavy Duty pumps: usadas comúnmente en refinerías. Son apropiadas para

servicios críticos, peligrosos o de alta exigencia. Construidas de acuerdo a API 610

(“Centrifugal Pumps for General Refinery Services”).

Bombas de desplazamiento positivo:

Standards de fabricantes

Para refinerías, plantas químicas y de petroleo:

Rotativas (engranajes, cavidad progresiva, tornillo): API 676 (Positive

Displacement Pumps-Rotary).

Reciprocantes: API 674 (Positive Displacement Pumps-Reciprocating).

Dosificadoras: API 675 (Positive Displacement Pumps- Controlled Volume).

Dinámico:

Transfieren energía cinética al fluido.

Desplazamiento positivo:

Aíslan una porción de fluido de la succión y lo desplazan a la descarga

Debido a su versatilidad y características, son las más utilizadas en la industria.

Emplean la rotación de un impulsor como medio para transferir la energía al fluido.

La energía cinética aplicada al fluido por el impulsor se convierte en energía de presión cuando el líquido sale del impulsor.

De acuerdo a la forma del impulsor, el flujo de una bomba centrífuga se clasifica en:

Flujo radial, cuando el fluido sale del impulsor en un plano perpendicular a su eje.

Flujo axial, el flujo sale en forma de espiral según la dirección del eje.

Flujo mixto, mezcla de los dos anteriores.

El elemento rotativo de una bomba centrífuga se denomina rodete o impulsor.

Se utilizan para cargas altas y caudales pequeños.

Impulsores por lo general angostos. De baja velocidad específica.

Maneja líquidos limpios, sin sólidos en suspención.

Se utilizan para cargas y caudales intermedios.

Impulsor más ancho que los de flujo radial y los alabes adquieren una doble curvatura.

La velocidad específica es mayor que el de flujo radial.

Maneja líquidos con sólidos en suspensión.

Se utilizan para cargas pequeñas y grandes caudales.

Impulsores tipo propela, los cuales son los de mayor velocidad específica.

Pueden manejar sólidos en suspensión relativamente grandes.

Es un indicador que permite tener una idea general del tipo de bomba que se debe seleccionar en un sistema de bombeo.

Es un número adimensional que está en

función del: caudal Q (gpm), la velocidad de rotación del motor ne (rpm) y la carga o altura de bombeo (ft)

𝑁𝑠 =𝑛𝑒 × 𝑄

𝐻 3/4

Las bombas centrífugas tienen velocidades específicas que van desde 500 hasta más de 10.000 según el tipo del impulsor.

Las bombas de desplazamiento positivo tienen valores más bajos.

Rango de Aplicación

Caudal: 5 - 2000 m3/Hr

∆P: 500 psi

Uso habitual: bomba utilizada en múltiples aplicaciones. En general, es la primer opción al momento de la selección.

Rango de Aplicación

Caudal: 40 - 3000 m3/Hr

∆P: 2850 psi

Uso habitual: inyección de agua, bomba de aminas, inyección de condensado en poliducto

Utilizadas en servicios con bajo NPSHa

Rango de Aplicación

(Análogos a Bombas Centrífugas de una etapa)

Caudal: 5 - 2000 m3/Hr

∆P: 500 psi

Economía de Espacio

No requiere fundación

Mantenimiento simplificado

En estas bombas el fluido que se desplaza está contenido entre el elemento impulsor (que puede ser un émbolo, un diente de engranaje, una paleta, entre otros) y la carcasa o el cilindro.

Se dividen en dos grupos: bombas rotativas y bombas reciprocantes (o alternativas).

Las bombas rotatorias atrapan el líquido y lo empujan contra la carcasa manteniendo un flujo constante.

El elemento de bombeo rotativo puede ser: lóbulos, engranajes, tornillos, entre otros.

Su utilización se limita a líquidos muy viscosos como fuel-oil, lubricantes, asfaltos, entre otros.

Algunas de estas bombas no se utilizan cuando el fluido contiene sólidos duros o abrasivos, ya que estos pueden ocasionar un desgaste prematuro en las piezas internas.

Este tipo de bombas pueden manejar con líquidos que contengan aire o vapor.

Su funcionamiento consiste en dos ruedas dentadas que operan dentro de una carcasa.

El líquido es transportado en el espacio comprendido entre dos dientes consecutivos y la carcasa, desplazándose hacia la zona de descarga.

No están diseñadas para transportar sólidos.

Es la más empleada entre las bombas rotativas.

Uso habitual: reposición de

fluidos de proceso (amina, TEG), reposición de aceite

Rango de Aplicación

Caudal: 0-400 m3/Hr

∆P: 215 psi

3156 – Bombas de Circulación de Aceite

Viking– 7.5 HP

Presentan unos rodetes que giran en sentido horario y puede tener dos o más lóbulos.

El fluido es conducido por la cavidad que se forma entre los lóbulos sucesivos.

Puede manejar líquidos que contengan sólidos.

De baja eficiencia cuando se transporta líquidos poco viscosos.

Operan de forma similar a la de engranajes.

Bombas con dos o mas tornillos, crean una cavidad dentro de la estructura que se mueve desde la succión hasta la descarga proporcionando un flujo uniforme y continuo.

Pueden ser de uno o varios tornillos.

Uso habitual: despacho de crudo, bombeo de fluidos viscosos

Rango de Aplicación

Caudal: 20 - 2700 m3/Hr

∆P: hasta 1425 psi

Planta de Tratamiento de Crudo Valle Hermoso – Bombas de Despacho de Crudo

Bombas Bornemman– 350 m3/h y ∆P: 70 psi

Su utilización se limita a:

Líquidos muy viscosos (tipo asfaltos).

Bajos caudales con elevada altura diferencial.

Servicios intermitentes con grandes variaciones de caudal.

Se clasifican en: bombas de pistón (o émbolo) y bombas de diafragma.

Son bombas de bajo caudal y volumen ajustable.

Este ajuste puede ser manual o automático para conseguir el caudal necesario.

En estas bombas existen válvulas de succión y descarga que regulan el movimiento del líquido.

Mientras el émbolo se llena de líquido, la válvula de succión permanece abierta y la de descarga cerrada, invirtiéndose las posiciones durante el desalojo.

Uso habitual: despacho de crudo

Rango de Aplicación

Caudal: 200 - 5000 m3/Hr

∆P: 2135 psi

Funcionan a bajas vueltas

(menos de 200 RPM)

Este tipo de bomba se utiliza para transportar líquidos corrosivos o que contengan suspensiones de sólidos abrasivos.

Su principal ventaja radica en la ausencia total de fugas en la bomba.

El movimiento del fluido es transmitido por medio de un diafragma flexible al líquido que se bombea.

Uso habitual: bomba dosificadora de productos químicos

Rango de Aplicación

Caudal: 0-5 m3/Hr

∆P: 3560 psi

NPSH (Net Positive Suction Head)

La cabeza neta positiva de succión (NPSH) está relacionado con el fenómeno de la cavitación.

La cavitación hidráulica se genera cuando la presión de succión de la bomba (Ps) es menor a la presión de vaporización del líquido (Pv), lo cual produce la formación de burbujas de vapor o gas en el interior de la bomba que posteriormente colapsan causando vibración y picaduras en el rodete o impulsor. Adicionalmente, por efecto de estos choques se genera ruido conocido como „traqueteo‟.

La implosión de las burbujas de vapor producidas en la succión, al elevarse la presión

producen vibraciones, ruido y daños en el impulsor.

Para evitarla debe asegurarse que la presión en la succión nunca sea menor que la

presión de vapor. Para ello se calcula en NPSH (Net Positive Suction Head).

En la práctica la cavitación se evita garantizando que el NPSHrequerido por la bomba sea MENOR que el NPSHdisponible en el sistema.

El NPSHrequerido es la NPSH mínima que se necesita para evitar la cavitación. Depende de las características de la bomba, por lo que es un dato que debe proporcionar el fabrican.

El NPSHdisponible es un parámetro del sistema y debe calcularse.

(en unid. longitud)

(en unid. presión)

Donde:

P: presión del recipiente de succión.

Pvap: presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo.

disponible Ps vap s f

disponible vap s hf

NPSH h h h h

NPSH P P H P

HS: diferencia de elevación entre el nivel del fluido en el depósito y la entrada a la bomba expresado en presión.

+ si la bomba está por debajo del depósito.

- cuanto está por encima del depósito.

Phf: pérdidas dinámicas en la tubería de succión.

HS

P

Pvap@Tbombeo

Phf

Ps=P+Hs-Phf

A medida que se aumenta el caudal del sistema las pérdidas de presión en la succión aumentan de manera que cada vez se reduce más el NPSHdisponible

Del mismo modo al aumentar el caudal el NPSHrequerido por la bomba aumenta.

• CONSIDERACIONES A TOMAR EN CUENTA EN LA LINEA DE SUCCIÓN PARA MINIMIZAR LAS PERDIDAS POR FRICCIÓN

Reducir la longitud de la línea de succión lo más posible acercando la bomba al depósito.

El diámetro de la línea de succión nunca debe ser menor que la conexión de succión de la bomba.

Minimizar la cantidad de accesorios en la línea de succión y evitar codos en el plano horizontal.

Siempre que sea posible es mejor que la bomba se encuentre por debajo del depósito de fluido.

Datos de proceso: Caudal de bombeo Temperatura de operación Densidad Viscosidad Presión de vapor Sólidos en suspensión (puede requerir de

filtros, materiales especiales para la construcción, diseño especial del impulsor, entre otros).

Características del fluido: corrosivo, abrasivo, volátil, etc).

Considerar el caudal en las condiciones de bombeo e indicar el caudal de diseño:

- para bombas de alimentación o bombas de transferencia de líquido el caudal de diseño es 110% del caudal normal. - para bombas de reflujo se considera un caudal de diseño de 120% del caudal normal (si la bomba es controlada por caudal). En caso de control por nivel, considerar un130%.

- Cuando el caudal de bombeo baja del mínimo permitido, se debe recircular una cantidad suficiente para que el caudal esté por encima del mínimo requerido.

- El caudal de recirculación será normalmente de, al menos 1-2 m³/h para permitir el uso de un orificio de restricción o una válvula de control.

𝑃𝑆 = P + 𝐻𝑆 − 𝑃ℎ𝑓 P: presión del recipiente de succión.

Hs: presión estática de succión.

Phf: pérdidas dinámicas en la succión.

Elevación de la línea central de la bomba: 0,6-0,9 m (2-3 ft) sobre el suelo.

Pérdida de carga en la línea de aspiración:0,15-0,35psi/100 ft.

Pérdida de carga en la línea de descarga: 1,1psi/100ft.

Hs: presión estática de succión.

𝐻𝑆

𝑘𝑔

𝑐𝑚2 = 𝜌𝑟 ×𝑕𝑆 (𝑚)

10

ó

𝐻𝑆 𝑝𝑠𝑖 = 𝜌𝑟 ×𝑕𝑆 (𝑓𝑡)

2,31

Si se desconoce la longitud de la línea de succión en fase de diseño, asumir:

- Una longitud equivalente de 100 m para líneas de hasta 3” de diámetro.

- Si el diámetro es igual o mayor de 4” se calculará una longitud equivalente resultante de:

𝐿𝑒𝑞 𝑚 = 9,76 × 𝐷 + 61

D = diámetro de la tubería en pulgadas.

Se utiliza este cálculo para posteriormente definir la presión de diseño de la bomba.

𝑃𝑆𝑚𝑎𝑥 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 + 𝐻𝑆𝑚𝑎𝑥 − 𝑃ℎ𝑓 Pmax: presión de diseño del recipiente de succión.

Hsmax: presión estática de succión máxima.

Phf: pérdidas dinámicas en la succión.

Presión normal de descarga (Pd):

𝑃𝑑 = 𝑃𝑅𝐷 + 𝐻𝑆𝐷 + 𝑃ℎ𝑓𝐷 PRD: presión del recipiente de destino.

Hs: presión estática de descarga.

PhfD: pérdidas dinámicas en la descarga.

Presión máxima de descarga (Pdmax):

𝑃𝑑𝑚𝑎𝑥 = 𝑃𝑅𝐷𝑚𝑎𝑥 + 𝐻𝑆𝐷𝑚𝑎𝑥 + 𝑃ℎ𝑓𝐷 PRD: presión máx. del recipiente de destino.

∆𝑃 = 𝑃𝑑 − 𝑃𝑠

Esta presión indicada en metros o pies se denomina altura o cabeza estática desarrollada por la bomba (H).

La máxima presión diferencial que genera la bomba se produce a flujo cero. La presión de shut-off es la máxima presión que puede generar una bomba antes que el motor se queme debido a la falta de fluido para bombear.

Potencia hidráulica (H.HP.)

El trabajo requerido para transportar el fluido es función de la presión diferencia y el caudal del líquido.

H. HP. 𝐻𝑃 =𝑄

𝑚3

𝑕× ∆𝑃

𝑘𝑔𝑐𝑚2

27

ó

H. HP. 𝐻𝑃 =𝑄 𝑔𝑝𝑚 × ∆𝑃 𝑝𝑠𝑖

1714

Potencia al freno (B.HP.) Esta es mayor a la potencia hidráulica ya que considera la cantidad de pérdidas incurridas en la bomba por fricción de sus elementos, fugas, entre otros. El rendimiento o eficiencia de una bomba centrífuga puede variar entre: - Un 20% para bombas de bajo caudal (menor de

20 gpm) - Un 70-80% para bombas grandes (caudales

mayores de 500 gpm) - E incluso un 90% en bombas con caudales

mayores a 2.000 gpm.

B. HP. 𝐻𝑃 =𝐻. 𝐻𝑃. 𝐻𝑃

Ƞ𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎

Ƞbomba: eficiencia de la bomba

Potencia del motor (E.HP.)

E. HP. 𝐻𝑃 =𝐵. 𝐻𝑃. 𝐻𝑃

Ƞ𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟

Ƞmotor: eficiencia del motor

Diseñar la bomba para el esquema siguiente:

Datos:

Propiedades del fluido:

- Densidad: 615 kg/m³

- Presión de vapor a T operación: 29 psia

Caudal: 25 m³/h

Eficiencia de la bomba: 0,6

Eficiencia del motor: 0,9

Diámetro de línea de succión y descarga: 3in

Viscosidad: 0.04 Pa.s

Las leyes de afinidad son expresiones matemáticas que están relacionadas con la velocidad del impulsor, diámetro y la eficiencia entre bombas similares de diferentes capacidades.

Las leyes de afinidad dicen que en una bomba centrífuga:

Q α n (velocidad en rpm de la bomba).

Q α φ (diámetro del impulsor).

H α n²

H α φ²

B.HP α n³

B.HP α φ³

NPSHr α n²

Las relaciones entre capacidad, cabeza, potencia al freno y eficiencia son llamadas las características de la bomba. Al cambiar una de éstas, cambian las demás.

Las curvas de la bomba reflejan las relaciones establecidas en las leyes de afinidad.

A medida que aumenta la capacidad del flujo, la cabeza total disminuye.

La cabeza impartida por la bomba en el líquido disminuye debido a la conversión de energía cinética (flujo) y fricción interna.

En general, la cabeza más alta ocurre en el punto donde no pasa flujo a través de la bomba, y es llamado “cierre de cabeza” (Pshutt-0ff). Cuando la válvula de descarga está completamente cerrada, y la bomba está funcionando, la energía es usada para desarrollar la cabeza y para contrarrestar la fricción interna.

La curva de potencia al freno versus capacidad representa la potencia requerida para transferir líquidos de un punto a otro, y sirve para superar las pérdidas en la bomba. La viscosidad del fluido es el factor que más afecta la potencia al freno (BHP).

La BHP se requiere para mantener la capacidad

deseada en la tubería. Para que la bomba centrífuga entregue la capacidad y la cabeza deseados, una cierta potencia debe ser suministrada.

Las pérdidas en la bomba incluyen pérdidas hidráulicas, mecánicas, de fricción del disco y de fugas. Por lo tanto no toda la potencia es usada para desarrollar presión y flujo. Parte de la potencia es transformada en calor (debido a la fricción) dentro de la bomba. La potencia puede ser también pérdida en entre el impulsor y la voluta.

La eficiencia de la bomba es un indicador de la pérdida de energía en la bomba. Cuanto mayor es la eficiencia, menores son las pérdidas. Si la bomba tiene una eficiencia del 85%, entonces el 15% se pierde como pérdida combinada a una cierta tasa de flujo.

3960 . .

rbomba

H Q

B HP