Altura de elevación. Geométrica y manométrica

La forma más usual de elevar el agua es por medio de bombas hidráulicas movidas por

motor eléctrico o de explosión. En el caso más general las bombas hidráulicas actúan en

dos fases:

Aspiración: Elevando el agua desde su nivel hasta la bomba, por medio de la tubería de

aspiración. En esta fase la bomba ejerce un vacío en la tubería de aspiración, con el fin de

que el agua pueda subir por ella impulsada por la presión atmosférica.

Impulsión: Conducción del agua desde la bomba hasta su destino, por medio de la

tubería de impulsión. En esta fase la bomba ejerce la presión necesaria para que el agua

se traslade a lo largo de la tubería de impulsión.

Hay que considerar las siguientes alturas de elevación:

Altura geométrica de aspiración(Ha): Es la distancia vertical existente entre el

eje de la bomba y el nivel inferior del agua.

Altura geométrica de impulsión (Hi): Es la distancia vertical existente entre el

nivel superior del agua (superficie del agua en el depósito de impulsión o el punto

de descarga libre de la tubería de impulsión) y el eje de la bomba.

Altura geométrica de elevación: Es la distancia vertical existente entre los niveles

superior e inferior del agua.

Altura manométrica de aspiración: Es igual a la altura geométrica de aspiración

más las pérdidas de carga en la tubería de aspiración.

Altura manométrica de impulsión: Es igual a la altura geométrica de impulsión

más las pérdidas de carga en la tubería de impulsión.

Altura manométrica total o altura total de elevación (Hm): Es la suma de las

alturas manométricas de aspiración e impulsión. Esta debe ser suministrada por la

bomba, y es independiente del peso específico del líquido, por lo que sólo puede

expresarse en metros de columna de agua (mca).

La instalación de una bomba viene representada en la siguiente figura 7.1, en donde la

bomba aspira el agua del pozo y lo impulsa hasta un depósito.

Figura 7.1. Instalación de una bomba centrífuga horizontal

Clasificación general de máquinas hidráulicas

Las máquinas hidráulicas modifican la energía total H de una corriente líquida.

Cuando caracteriza a las máquinas elevadoras, donde la altura o carga total de la

corriente se incrementa a su paso por la máquina, y es posible gracias a que ésta dispone

de elementos motores exteriores que ceden energía a la corriente.

Cuando caracteriza a las máquinas receptoras, donde la corriente es la que cede

parte de su energía a una máquina llamada turbina que genera energía mecánica.

Haciendo referencia a los tres sumandos de energía mecánica referida a energía por

unidad de peso (masa líquida), los grupos de máquinas elevadoras o bombas hidráulicas

según el sumando principal afectado, queda:

- Rotodinámicas: el agua se desplaza por la acción de un mecanismo de impulsos (rodete

o impulsor) que tiene movimiento giratorio, siendo el sumando afectado la velocidad (v).

- Volumétricas: el elemento impulsor, que tiene movimiento rectilíneo alternativo,

(émbolo, membrana) o rotativo (engranaje, paletas), impulsa el líquido desde la cámara

que lo contiene, por efecto de disminución del volumen de esa cámara, siendo el

sumando afectado la presión (P).

- Gravimétricas: trasladan el líquido desde una cota a otra más elevada (norias, cigüeñal,

elevador de cangilones, tornillo de Arquímedes), siendo el sumando afectado la altura de

elevación (z).

Las bombas más utilizadas en riego son las rotodinámicas, que a su vez se clasifican en

tres grupos, según la dirección del flujo:

- Bombas centrífugas o de flujo radial: el líquido sale de la bomba en sentido

perpendicular al eje de giro. El nombre de centrifuga alude al hecho de que es una fuerza

de esa naturaleza la que aumenta la energía de la corriente. El agua en rotación tiende a

escapar hacia fuera produciendo un vacío en su desplazamiento, lo que origina un flujo

continuo de agua que entra en la dirección del eje de la bomba. La relación altura de

elevación y caudal en este tipo de bombas es alto, por lo que eran las más utilizadas en

sistemas de riegos.

- Bombas de hélice o de flujo axial: el impulsor tiene la forma de hélice o tornillo, por lo

que el flujo del agua se produce en la dirección del eje del mismo. Estas bombas se

fundan en el mismo principio de propulsión de los barcos, con la diferencia de que en el

caso de la bomba, la hélice gira en posición fija y desplaza al agua de forma continua. La

relación altura de elevación y caudal en este tipo de bombas en bajo, por lo que su uso se

limita a instalaciones de evacuación en redes de saneamiento.

- Bombas diagonales, helicocentrífuga o de flujo mixto: el flujo de agua es producido

conjuntamente por la fuerza centrífuga y por el empuje de los álabes. Son, por tanto,

intermedios entre los dos grupos anteriores, tanto en su dirección como en su

funcionamiento. La relación altura de elevación y caudal en estos tipos de bombas es

intermedio.

En la figura 7.2, se representa los elementos de impulsión que caracterizan a los tres tipos

de bombas rotodinámicas:

Bombas centrífugas

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. Los

elementos constructivos de que constan son (figura 7.3):

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

b) El impulsor o rodete, formado por una serie de álabes de diversas formas que giran

dentro de una carcasa circular. El rodete va unido solidariamente al eje y es la parte móvil

de la bomba.

El líquido penetra axialmente por la tubería de aspiración hasta el centro del rodete, que

es accionado por un motor, experimentando un cambio de dirección más o menos brusco,

pasando a radial, (en las centrífugas), o permaneciendo axial, (en las axiales), adquiriendo

una aceleración y absorbiendo un trabajo.

Los álabes del rodete someten a las partículas de líquido a un movimiento de rotación

muy rápido, siendo proyectadas hacia el exterior por la fuerza centrífuga, de forma que

abandonan el rodete hacia la voluta a gran velocidad, aumentando su presión en el

impulsor según la distancia al eje. La elevación del líquido se produce por la reacción

entre éste y el rodete sometido al movimiento de rotación; en la voluta se transforma

parte de la energía dinámica adquirida en el rodete, en energía de presión, siendo

lanzados los filetes líquidos contra las paredes del cuerpo de bomba y evacuados por la

tubería de impulsión.

La carcasa, (voluta), está dispuesta en forma de caracol, de tal manera, que la separación

entre ella y el rodete es mínima en la parte superior; la separación va aumentando hasta

que las partículas líquidas se encuentran frente a la abertura de impulsión; en algunas

bombas existe, a la salida del rodete, una directriz de álabes que guía el líquido a la salida

del impulsor antes de introducirlo en la voluta.

c) Una tubería de impulsión. La finalidad del difusor es la de recoger el líquido a gran

velocidad, cambiar la dirección de su movimiento y encaminarle hacia la brida de

impulsión de la bomba. El impulsor, también llamado genéricamente voluta es también

un transformador de energía, ya que disminuye la velocidad (transforma parte de la

energía dinámica creada en el rodete en energía de presión), aumentando la presión del

líquido a medida que el espacio entre el rodete y la carcasa aumenta.

Figura 7.3. Perspectiva de una bomba centrífuga

Este es, en general, el funcionamiento de una bomba centrífuga aunque existen distintos

tipos y variantes. La estructura de las bombas centrífugas es análoga a la de las turbinas

hidráulicas, salvo que el proceso energético es inverso; en las turbinas se aprovecha la

altura de un salto hidráulico para generar una velocidad de rotación en la rueda, mientras

que en las bombas centrífugas la velocidad comunicada por el rodete al líquido se

transforma, en parte, en presión, lográndose así su desplazamiento y posterior elevación.

Este tipo de bombas son las más utilizadas en el riego, por numerosas ventajas que

tienen: reducido tamaño, caudales constantes, presiones uniformes, bajo mantenimiento y

flexibilidad de regulación.

Características generales de las bombas centrífugas

Una vez es estudiado el funcionamiento de una bomba centrífuga vamos a estudiar en

detalle los elementos más importantes que la forman, como es el rodete y el difusor o

voluta

a) Rodete o impulsor.

El rodete o impulsor es un elemento móvil , formado por unas paletas o álabes

divergentes unidos a un eje que recibe energía del exterior como podemos observar en la

figura 7.4 que nos muestra el despiece de una bomba centrífuga.

Figura 7.4. Despiece de una bomba horizontal centrífuga donde se aprecian dos rodetes

colocados en serie.

Según que estos álabes vayan sueltos o unidos a uno o dos discos, los rodetes pueden ser

(figura 7.5):

Abiertos: cuando van sueltos. Tienen la ventaja de que permite el paso de

impurezas, pero tiene poca eficacia.

Cerrados: cuando van unidos lateralmente a dos discos (figura 7.6). Se obstruyen

con más facilidad que los anteriores, pero tienen mayor rendimiento.

Semiabiertas: cuando van unidos a un disco. Tienen características intermedias

entre los dos tipos anteriores.

Figura 7.5. Tipos de impulsor (rodetes)

Figura 7.6. Detalle de un rodete cerrad. a) desmontados ; b) aperturas por donde entra

el agua

b) Difusor

El difusor junto con el rodete, están encerrados en una cámara, llamada carcasa o cuerpo

de bomba, según como se ve en la figura 7.4.

El difusor está formado por unos álabes fijos divergentes, que al incrementarse la sección

de la carcasa, la velocidad del agua irá disminuyendo lo que contribuye a transformar la

energía cinética en energía de presión, mejorando el rendimiento de la bomba.

Según la forma y disposición, las bombas centrífugas son de 2 tipos:

De voluta: la carcasa tiene forma de caracol, rodeando el rodete de tal forma que

el área de flujo de agua aumenta progresivamente hacia la tubería de descarga

(figura 7.7 a).

De turbina: la carcasa va provista de unos difusores fijos dispuestos de tal forma

que el área de flujo se ensancha progresivamente hacia la salida, (figura 7.4 y

figura 7.7 b).

c) Eje

El eje de la bomba es una pieza en forma de barra de sección circular no uniforme que se

fija rígidamente sobre el impulsor y le transmite la fuerza del elemento motor, como se

puede apreciar en la figura 7.3.

Las bombas centrífugas para agua se clasifican atendiendo a la posición del eje en

bombas de eje horizontal y bombas de eje vertical.

Tipos de bombas centrífugas

Según el número de rodetes, las bombas centrífugas pueden ser:

Simples o monocelulares: con un solo rodete

Múltiples o multicelulares: con varios rodetes, que se colocan en serie, de tal forma que

el flujo que sale por cada uno de ellos entra en el siguiente.

A su vez, las bombas simples o múltiples, según la disposición del eje de giro pueden ser:

de eje horizontal y de eje vertical, como hemos comentado anteriormente.

Bombas horizontales.- La disposición del eje de giro horizontal presupone que la bomba

y el motor se hallan a la misma altura (figura 7.8); 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.

Como no son autoaspirantes requieren, antes de su puesta en marcha, el estar cebadas;

esto no es fácil de conseguir si la bomba no trabaja en carga, estando por encima del nivel

del líquido, que es el caso más corriente con bombas horizontales, siendo a menudo

necesarias las válvulas de pie, (aspiración), y los distintos sistemas de cebado.

Como ventajas específicas se puede decir que las bombas horizontales, (excepto para

grandes tamaños), son de construcción más barata que las verticales y, especialmente, su

mantenimiento y conservación es mucho más sencillo y económico; el desmontaje de la

bomba se suele hacer sin necesidad de mover el motor y al igual que en las de cámara

partida, sin tocar siquiera las conexiones de aspiración e impulsión.

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, estando, sin

embargo, el motor por encima de éste.

Podemos diferenciar dentro de las bombas centrífugas de eje vertical, dos tipos:

1. Bombas verticales de funcionamiento en seco.- En las bombas verticales no

sumergidas, el motor puede estar inmediatamente sobre la bomba, o muy por encima de

ésta, figura 7.9. El elevarlo responde a la necesidad de protegerlo de una posible

inundación o para hacerlo más accesible si, por ejemplo, la bomba trabaja en un pozo.

El eje alargado puede ser rígido o flexible por medio de juntas universales, lo que

simplifica el siempre difícil problema del alineamiento. Se emplean muy a menudo las

mismas bombas horizontales modificadas únicamente en sus cojinetes.

La aspiración es lateral, (horizontal); en las bombas grandes, frecuentemente, es por

abajo, aunque a veces se transforma en lateral mediante un simple codo.

La ventaja de las bombas verticales, es que requieren muy poco espacio horizontal que

las hace insustituibles en barcos, pozos, etc; sin embargo se necesita un espacio vertical

superior suficiente para permitir su cómodo montaje y desmontaje.

Para bombas de gran caudal, la construcción vertical resulta en general más barata que la

horizontal. Las bombas verticales se emplean normalmente en aplicaciones marinas, para

aguas sucias, drenajes, irrigación, circulación de condensadores, etc.

2. Bombas verticales sumergidas (de funcionamiento mojado).- El funcionamiento

sumergido de las bombas centrífugas elimina el inconveniente del cebado, por lo que el

impulsor se halla continuamente, aún parado, rodeado por el líquido a impulsar y, por lo

tanto, la bomba está en disposición de funcionar en cualquier momento. El control de la

unidad requiere únicamente la puesta en marcha del motor de accionamiento, sin

necesidad de dispositivos adicionales de cebado previo. La aspiración, que es siempre por

abajo, figura 7.10, se hace a una cierta profundidad con respecto al nivel libre del líquido.

Si esta profundidad es menor de lo debido, 2 ó 3 veces el diámetro del orificio de

aspiración, se pueden crear en la superficie vórtices o remolinos por cuyo centro se

introduce aire en la bomba, con la consiguiente pérdida de caudal y deficiente

funcionamiento.

El eje del que van provistas estas bombas, va guiado normalmente por cojinetes de

fricción separados a intervalos regulares (de 1,5 a 3 metros) y lubricados por aceite,

grasa, o el mismo líquido bombeado; en este último caso, el eje se suele disponer en el

interior de la tubería de impulsión vertical, cerca del motor, en que ésta se desvía

horizontalmente mediante un codo adecuado.

En los casos de lubricación por grasa o aceite, el eje va dentro de un tubo portador de los

cojinetes, siendo este conjunto, a su vez, exterior o interior a la tubería de impulsión.

La otra solución tiene la ventaja de requerir un menor espacio, siendo en ambos casos

innecesaria la empaquetadura, lo que constituye también una circunstancia muy

favorable, dados los inconvenientes que ésta lleva a veces consigo.

Las bombas sumergidas tienen la ventaja de ocupar un espacio horizontal mínimo, sólo el

necesario para acomodar el motor vertical y la impulsión, siendo incluso ésta a veces

subterránea.

Las ventajas hidráulicas son evidentes al desaparecer todos los problemas de aspiración

que constituyen el principal inconveniente en el funcionamiento de las bombas

centrífugas.

Desde un punto de vista mecánico, esta disposición presenta grandes inconvenientes con

respecto a la horizontal. Las bombas son inicialmente más caras y su mantenimiento

mucho más elevado, ya que cualquier reparación exige el desmontaje de la bomba para

izarla a la superficie.

El eje alargado, somete a los cojinetes a un trabajo duro que sobre todo, si están

lubricados por agua o líquidos sin grandes propiedades lubricantes, hace que su vida sea

corta e imprevisible.

Los tipos más importantes de bombas centrífugas verticales sumergidas son las bombas

de turbina verticales o de pozo profundo que fueron desarrolladas para la explotación de

pozos, perforaciones y sondeos de diámetro reducido. Esta circunstancia limita

forzosamente la altura por etapa, lo que conduce al concepto de bombas multicelulares

para reducir el espacio.

El impulsor de aspiración simple, puede ser radial o diagonal, según las condiciones de

servicio y su construcción cerrada o semiabierta. Los impulsores semiabiertos, sin

embargo, aparte de su mayor empuje axial, hasta el 50% mayor, requieren un ajuste

vertical más cuidadoso durante el montaje.

El conjunto de difusores del cuerpo de bomba y la tubería de impulsión, cuelgan del

cabezal sobre el que va montado el motor, constituyendo el codo de desviación de la

impulsión. A veces, los difusores se recubren interiormente de un esmalte especial que

disminuye la rugosidad de la fundición y las pérdidas hidráulicas consiguientes,

aumentando el rendimiento, dotando de una cierta uniformidad a las distintas unidades,

lográndose una mejor resistencia a la corrosión y a la abrasión.

La construcción de estas bombas permite montar el número de etapas deseado, que puede

llegar a 20 o más, añadiendo simplemente difusores e impulsores semejantes uno sobre

otro, lo que dota de cierta elasticidad a las aplicaciones, con las consiguientes ventajas de

estandarización, disponibilidad de repuestos, etc; no obstante, estas bombas participan de

las desventajas mencionadas para las bombas verticales sumergidas, de ser caras y exigir

unos costes de mantenimiento elevados.

Las bombas verticales de turbina han llegado a un grado de perfección notable con

rendimientos altos y determinadas ventajas hidráulicas; aunque empezaron siendo

empleadas exclusivamente para riegos en pozos y perforaciones, sus aplicaciones

industriales aumentan cada vez más, siendo en la actualidad más numerosas que las

agrícolas, por lo que la denominación de bombas de pozo profundo va desapareciendo

para adaptarse a la de bombas de turbina vertical.

Dentro de este tipo se pueden distinguir las bombas provistas de eje alargado y

accionadas por motor sumergible dispuesto inmediatamente por debajo de la bomba o

bombas buzo.

a) Bombas de turbina verticales de motor normal superior.- En estas bombas, el eje va

por el interior de la tubería de impulsión, desnudo si la lubricación es por aceite, o dentro

de un tubo protector si la lubricación es por agua de una fuente externa, figura 7.11.

El conjunto de impulsores y eje soportado por los cojinetes de empuje están colocados en

el mismo cabezal o en la parte superior del motor, si su eje y el de la bomba están

rígidamente acoplados (motores de eje hueco).

Con estas bombas se pueden alcanzar unos 200 m.c.a., pero los problemas que ocasiona

cualquier imperfección en la rectitud del eje, que influye en gran manera en la vida de los

cojinetes y en la vibración del funcionamiento, crecen enormemente con la longitud del

eje. Se puede considerar que la seguridad del eje es proporcional a su rigidez o resistencia

a la flexión viniendo dada por el factor D4/L

3, siendo D el diámetro del eje y L su

longitud.

b) Bombas de turbina verticales de motor sumergido( electrobombas o bombas buzo).-

Con objeto de evitar las desventajas que se derivan de la excesiva longitud del eje, en las

bombas sumergidas se han desarrollado motores eléctricos capaces de funcionar a su vez

rodeados de líquido y de dimensiones tales que les permite ir montados en el interior del

pozo, figura 7.12.

De esta forma, colocando los motores inmediatamente por debajo de la bomba,

desaparece la necesidad del eje, cojinetes y tubo protector, por lo que la columna puede

ser de menor diámetro para pérdidas de carga semejantes.

Los motores pueden ser de funcionamiento en seco con cierre hermético, o inundados, en

cuyo caso los aislamientos han de tener características muy especiales. Las ventajas del

motor sumergido se hacen apreciables, sobre todo, en pozos muy profundos de más de 30

m, o bien inclinados o curvados. El espacio requerido en la superficie es, evidentemente

mínimo e incluso nulo con descarga subterránea.

Las desventajas son un menor rendimiento y menor vida del motor y la necesidad

ineludible del desmontaje total para cualquier revisión o reparación de la bomba o del

motor.

Curvas características de una bomba.

El comportamiento hidráulico de una bomba viene especificado en sus curvas

características que representan una relación entre los distintos valores del caudal

proporcionado por la misma con otros parámetros como la altura manométrica, el

rendimiento hidráulico, la potencia requerida y la altura de aspiración, que están en

función del tamaño, diseño y construcción de la bomba.

Estas curvas, obtenidas experimentalmente en un banco de pruebas, son proporcionados

por los fabricantes a una velocidad de rotación determinada (N).

Se representan gráficamente, colocando en el eje de abcisas los caudales y en el eje de

ordenadas las alturas, rendimientos, potencias y alturas de aspiración.

Curva altura manométrica-caudal. Curva H-Q.

Para determinar experimentalmente la relación H(Q) correspondiente a unas revoluciones

(N) dadas, se ha de colocar un vacuómetro en la aspiración y un manómetro en la

impulsión, o bien un manómetro diferencial acoplado a dichos puntos. En la tubería de

impulsión, aguas abajo del manómetro, se instala una llave de paso que regula el caudal,

que ha de ser aforado. La velocidad de rotación se puede medir con un tacómetro o con

un estroboscopio. Con un accionamiento por motor de corriente alterna, dicha velocidad

varía muy poco con la carga.

La relación H(Q) tiene forma polinómica con las siguientes formas:

H = a + b·Q + c·Q2

H = a + c · Q2

Las curvas características H-Q, típicas de los 3 grupos de bombas vienen indicadas en las

siguientes figuras 7.13.

La curva que se obtiene corta el eje (Q = 0) en un punto en el que la bomba funciona

como agitador, elevando un caudal nulo. Esta situación se consigue cerrando totalmente

la llave de paso en el origen de la tubería de impulsión. El llamado caudal a boca llena es

el que corresponde a H=0, dando un caudal máximo.

a) b)

c)

Figura 7.13. Curvas características de tres tipos de bombas hidraulicas. a) Bomba radial

centrífuga; b) Bomba helicocentrífuga; c) Bomba de hélice

Curva rendimiento-caudal.

El rendimiento de la bomba o rendimiento global es la relación entre la potencia útil o

hidráulico y la potencia al freno. Este es, en general, suministrado por los constructores

de la bomba, y considera las pérdidas por fugas (rendimiento volumétrico) y por

rozamientos en ejes y caras del impulsor (rendimiento mecánico).

La curva característica rendimiento-caudal para tres tipos de bombas distintas la podemos

ver en la figura 7.13.

En general la curva del rendimiento podrá ajustarse a una expresión del tipo:

El rendimiento es nulo para un caudal nulo y para un caudal máximo. Entre ambos el

rendimiento varía, alcanzando el máximo en un punto correspondiente a un cierto caudal,

llamado caudal nominal de la bomba, que es aquel para el cual ha sido diseñada la

bomba.

Curva potencia-caudal.

En la teoría, la potencia suministrada por el eje del impulsor es:

Ph = potencia hidráulica

En la práctica, las perdidas por rozamiento hidráulico, mecánico y las posibles fugas dan

lugar a que la potencia al freno P absorbida al motor por el eje de la bomba difiere de Ph.

Su valor se obtiene en laboratorio mediante un dinamómetro o freno, aplicando la

relación:

P = T · N

Siendo T el par resistente de la bomba, el cual es el producto de [F x r] donde r es el

brazo donde se aplica la fuerza tangencial F. N es el numero de revoluciones o vueltas en

la unidad de tiempo, o velocidad angular. La relación entre la potencia hidráulica (P

salida) y la potencia al freno (P entrada) mide el rendimiento global. Se determina a partir

de la ecuación:

La potencia absorbida por el eje de la bomba o potencia al freno es la potencia que

necesita la bomba para realizar una determinada cantidad de trabajo. Es igual a la

potencia hidráulica o potencia que necesita la bomba para elevar el agua, más la potencia

consumida en rozamientos, y viene determinada por la formula:

Donde:

P = potencia bomba (w)

= peso específico (N/m3)

Q = caudal (m3/s)

H = altura manométrica total (m)

= rendimiento de la bomba (º/1).

También se puede utilizar la siguiente expresión para Potencias expresadas en C.V.

Donde:

P = potencia bomba (C.V.)

Q = caudal (l/s)

H = altura manométrica total (m)

= rendimiento de la bomba (º/1).

Para cada posición de la llave de regulación del caudal, se determinará la potencia P, con

lo que la curva característica P (Q) queda determinada con la figura 7.13.

La potencia absorbida por la bomba es la que tiene que suministrar el motor (eléctrico o

combustión o hidráulico) por el rendimiento de dicho motor (ηm).

Curvas carga neta positiva de aspiración requerida (NPSHr)-Caudal.

Figura 7.14. Curvas NPSHr - Q, de 4 bombas iguales pero con distinto diámetro de

rodete

La NPSHr en una bomba a velocidad constante aumenta con el caudal como se muestra

en la figura 7.14. Este tipo de curva se estudiará detalladamente en el punto 9 de este

tema.

En la figura 7.15 se representa las curvas de igual rendimiento en el diagrama Altura-

Caudal para distintas velocidades de giro del rotor. Este gráfico, por tanto, nos

suministrará información de velocidad rotación, caudal, altura y rendimiento. Por

ejemplo, para obtener un caudal de 100 l/s a una altura manométrica de 30 m se requiere

una velocidad de 850 r.p.m. y se obtiene un rendimiento del 70 %, figura 7.15 D).

Curvas características de la conducción

Un sistema de impulsión también llamado sistema de distribución queda definido por la

topografía de su trazado y por la longitud, diámetro y aspereza de sus canalizaciones, así

como por los accesorios instalados en ellos: válvulas, codos, llaves, tes, reducciones, etc.

Es posible calcular la altura que ha de ser suministrada para que se distribuya un caudal Q

prefijado. En consecuencia, siempre es posible obtener una relación H (Q), que se

denomina curva característica del sistema de impulsión, y que tiene la siguiente forma:

Donde:

H = altura (m)

Hg = altura geométrica de elevación (m)

K·Q2 = pérdida de carga total de al conducción en función del caudal (hr total)

A partir de la formula de Darcy-Weisbach:

donde

Sustituyendo:

hr = K·Q2

K depende de las características de la instalación.

La representación gráfica de un sistema de impulsión es:

Punto de funcionamiento de una bomba

El régimen de trabajo de una bomba centrífuga se determina, siempre, por el punto de

intersección de las características de la bomba y de la tubería, y por eso, al ser la

característica de la conducción (tubería) invariable, salvo que se actúe sobre la válvula de

impulsión, el cambio del número de revoluciones de la bomba provocará el

desplazamiento del punto de trabajo a lo largo de la característica de la tubería. Si ésta

corta a una parábola de regímenes semejantes, al cambiar el número de revoluciones y

pasar a otra curva característica, la semejanza se conservará, pudiéndose considerar en

este caso que el cambio del número de revoluciones de la bomba no alterará la semejanza

de los regímenes de trabajo.

Pero si por la tubería se trasiega el líquido de un nivel inferior a otro superior, la

característica de la tubería tendrá la forma indicada en la figura 7.17, y el cambio de

revoluciones de la bomba, de n1 a n2, provocará el desplazamiento del punto de trabajo de

A a B, que pertenecen a distintas parábolas de regímenes semejantes, alterándose así la

semejanza de los regímenes.

Como parece natural, las bombas centrífugas se construyen para que funcionen en

condiciones de rendimiento máximo y, por lo tanto, en su elección parece lógico pensar

que para una tubería de impulsión determinada, no sirva cualquier bomba, sino aquella

que cumpla precisamente con la premisa de que su zona de máximo rendimiento,

coincida con la inmediata al punto de funcionamiento.

Leyes de semejanza en bombas

Para emplear modelos a escala en el estudio experimental de máquinas hidráulicas, se

requiere la semejanza geométrica, así como que los diagramas de velocidades en puntos

homólogos sean geométricamente semejantes (semejanza cinemática). Las unidades

cuyos impulsores son semejantes y trabajan con semejanza se llaman homólogas.

Las relaciones de semejanzas geométricas obtenidas experimentalmente, se expresan con

los siguientes coeficientes:

- Coeficiente de Caudal (CQ), es una constante que se expresa por la relación

- Coeficiente de Altura (CH), es una constante que se expresa por la relación

- Coeficiente de potencia (CP) es una constante que se expresa por la relación

Designando por λ la relación de las medidas lineales de dos bombas semejantes elevando

un fluido dado y por k la relación de sus velocidades de rotación que dan lugar a

diagramas de velocidades semejantes, se tiene:

de la ecuación de coeficiente de caudal se obtiene:

de la ecuación de coeficiente de altura se obtiene:

de la ecuación de coeficiente de potencia se obtiene:

En el caso de una misma bomba, , los puntos homólogos son:

Si la velocidad de rotación es directamente proporcional a su diámetro y a su velocidad

de giro, que es lo mismo:

Gráficamente:

Figura 7.18. Variación del caudal, altura y potencia, para variaciones de velocidad de

rotación

Representa la variación del caudal, altura y potencia, para variaciones de velocidad de

rotación.

Velocidad específica

Despejando el Diámetro (D) de la ecuación del coeficiente de altura (CH)

→

y sustituyendo D en la ecuación de coeficiente de caudal(CQ)

Velocidad específica es un indicador excelente de las características de una bomba, y

expresa la velocidad de una unidad de tamaño (D) tal que, en régimen de funcionamiento

homólogo, eleva la unidad del caudal (m2/s) a la unidad de altura (m).

Altura de aspiración en bombas centrífugas. Cavitación

La cavitación es un fenómeno caracterizado por la formación de vapor en la masa liquida.

Tiene lugar cuando la presión estática iguala a la presión de vapor del líquido, a la

temperatura ambiente.

Aplicando la ecuación de Bernouilli en un punto de una corriente líquida se deduce que el

sumando de presión depende del valor de la energía total disponible, del sumando de

elevación y del sumando cinético.

Para energía total (H) pequeña, una cota de elevación grande o una altura cinética grande

implica valores bajos de presión (P), que pueden dar lugar a bolsas de vapor y

discontinuidades en la corriente.

Las burbujas gaseosas (bolsas de vapor) que se forman en un punto de baja presión se

reabsorben cuando ésta aumenta, lo que puede provocar explosiones violentas que

ocasionan la erosión mecánica de las paredes del conducto en la zona de condensación.

En la figura 7.18 se muestra un esquema de una instalación típica de una bomba

centrífuga horizontal. El eje de la bomba se encuentra a una cota ZA sobre el nivel de

agua, también llamada altura geométrica de aspiración Ha.

Siendo ha la altura correspondiente a la presión atmosférica, donde ha = .

Aplicando la ecuación de Bernouilli entre el nivel del agua y un punto A, a la entrada de

la bomba:

h a= HA + hrA

Donde ZA = Ha

Evidentemente vA es proporcional al caudal Q, mientras que las pérdidas por rozamiento

hrA depende del sistema de aspiración según una expresión del tipo KA·Q2, obteniendo la

siguiente expresión:

(F1)

Siendo hV la altura representativa de la presión de vapor del agua, se obtiene el

parámetro:

Sustituyendo el valor de en la ecuación anterior:

Denominando altura o carga neta positiva en la aspiración disponible, cuyo valor depende

de las condiciones de la tubería de aspiración, por lo que es un dato que ha de obtener el

proyectista de cada instalación: si ese valor llega a anularse el caudal previsto no puede

alcanzar la entrada de la bomba.

Como la presión mínima no se alcanza en el punto A sino en el B, en el interior de la

bomba, al incremento de la velocidad y las pérdidas de carga entre A y B dan lugar a una

relación, según Bernouilli, del tipo:

Donde KB·Q2 es la perdida de carga entre A y B y depende de las características

geométricas de la bomba y de su régimen de revoluciones N.

El valor mínimo para que no aparezca el fenómeno de la cavitación en el punto B es que

= hv, sustituyendo en la ecuación anterior:

(F2)

Cuando no se produce el fenómeno de la cavitación.

Cuando se produce el fenómeno de la cavitación, con formaciones de

vapor en el interior de la bomba, que provocan una erosión mecánica de la bomba y una

caída notable de las curvas .

Luego hv + KBQ2 representa el valor mínimo del parámetro NPSH requerido a la entrada

en la aspiración para que no llegue a presentarse en B las bolsas de vapor que

caracterizan el fenómeno citado, es decir:

NPSHr no depende más que del proceso que tiene lugar dentro de la bomba, sin que sea

afectada por las características de la aspiración. Por ello, la curva que relaciona NPSHr

para cada valor de Q es característico de la bomba y debe ser suministrado por el

fabricante.

Si representamos gráficamente al NPSHd y NPSHr en la aspiración en función del gasto:

NPSHd es tanto más pequeña cuanto más grande es la altura de aspiración, por lo que

para instalación de una bomba ha de estudiarse de forma que su valor siempre supere a la

NPSHr señalada en la curva característica suministrada por el constructor o fabricante de

la bomba.

La elevación del lugar donde se emplaza el bombeo tiene implicaciones en el valor de ha ,

por lo que también ha de ser tenida en cuenta al proyectar. Asimismo, el efecto de la

temperatura sobre hv obliga a tener en cuenta las condiciones térmicas previsibles.

Para determinar la altura de aspiración en una impulsión, debemos seguir los siguientes

pasos:

1. Necesitamos la curva NPSHr-Q proporcionada por el fabricante de la bomba,

fijando un caudal máximo Qmáx (que es con el que más riesgo de cavitación hay)

que se prevé en una impulsión.

2. Sobre el eje de caudales del gráfico se traza una perpendicular a dicho eje por el

caudal máximo, que cortará a la curva NPSHr en un punto A.

3. De las infinitas curvas NPSHd que pueden obtenerse en una instalación

(dependiendo de la altura de aspiración Ha escogida), una tiene que pasar por el

punto A. Para dicho punto A se tiene que verificar:

NPSHr = NPSHd = ha - hv - Ha - hrA

De donde despejamos Ha:

Ha = ha - hv - hrA - NPSHr

Que sería la máxima altura de aspiración. Para asegurarnos de que ésta no se produzca es

aconsejable disminuir dicha altura en 0,5 m.

Ha = ha - hv - hrA - NPSHr - 0,5

La altura de aspiración no superará en general los 6,5 m; aunque puede resultar mucho

más pequeña, incluso negativa a veces.

Para calcular ha y hv se utilizan las tablas 7.2 y 7.1 respectivamente.

Tabla 7.1. Propiedades físicas del agua a 1 bar

Tabla 7.2. Propiedades físicas del aire a distintas altitudes

Acoplamientos de bombas

Bombas en paralelo:

En instalaciones importantes en las que se prevé una significativa fluctuación de caudal,

por ejemplo una comunidad de regantes o una ciudad, resulta interesante repartir la

demanda máxima de caudal entre varias bombas iguales acopladas en paralelo,

descargando a la vez en un colector común conectado a la tubería de impulsión.

Figura 7.20. Conexión de tres bombas en paralelo

A medida que aumenta la demanda de caudal en la red, irían entrando una a una en

funcionamiento. Lo normal es que la puesta en marcha y la parada de las sucesivas

bombas se haya automáticamente.

Bombas iguales:

La curva característica H-Q de n bombas iguales acopladas en paralelo se multiplica por

n el caudal correspondiente a una de ellas:

Si la curva característica de cada bomba es:

H = a + c · Q2

Al acoplar las bombas en paralelo, el caudal total Q demandado se reparte por igual entre

ellas. La expresión matemática de las curvas resultantes serían:

H = a + c ·

·

Supongamos 2 bombas iguales en paralelo, la curva I es la característica común a cada

una de las bombas, figura7.21. La característica del conjunto, curva II, se obtiene

multiplicando por dos para cada altura manométrica, las abcisas correspondientes a la

primera curva.

La curva C es la característica de la tubería, en la que se ha tenido en cuenta la altura

geométrica a la que se encuentra el depósito, y cuya intersección con la curva

característica conjunta II, da el punto de funcionamiento B del conjunto bombas-tubería

de impulsión.

Cada bomba funcionará con un caudal y una misma altura manométrica HmB .

En el caso de una sola bomba, el punto de funcionamiento estaría en A, y el caudal

bombeado sería, QA , por cuanto, HmB HmA .

Para n bombas iguales acopladas en paralelo la construcción sería idéntica.

Figura 7.21. Acoplamiento de bombas identicas en paralelo

En resumen:

Q = Q1 + Q2

H = H1 = H2

Bombas diferentes:

Lo más frecuente y deseable es que las bombas a acoplar sean iguales, aunque es

frecuente instalar bombas auxiliares más pequeñas para mantener en carga la red cuando

no hay demanda y para cubrir pequeños caudales.

Cuando trabajan a la vez:

Q = Q1 + Q2

Despejando Q de la ecuación característica H = H (Q) arriba indicados, se obtiene para

cada bomba:

Q1 = Q1 (H)

Q2 = Q2 (H)

Con lo que la curva característica conjunta será:

Q1 (H) + Q2 (H) = Q

En la figura 7.22 se muestra las curves de 2 bombas diferentes, A y B y de la

combinación de las bombas en paralelo, C.

Figura 7.22. Acoplamiento de dos bombas diferentes en paralelo

Bombas en serie:

Cuando 2 ó más bombas se acoplan en serie, figura 7.23, el caudal va sufriendo

sucesivamente una relevación, de altura cuando están distantes y de presión cuando está

una inmediatamente después de la otra.

Es poco frecuente encontrar instalaciones con bombas diferentes acopladas en serie. El

acoplamiento en serie resulta de interés cuando hay que suministrar alturas elevadas y

existe limitación de diámetros (por ejemplo, bombas en pozo profundo); son las bombas

multicelulares, figura 7.24.

Figura 7.24. Bomba multicelular constituida por 4 rodetes iguales (impulsores)

acoplados en serie

Si las curvas características de una bomba son:

H = a + c · Q2

Las curvas características resultantes de n bombas iguales montadas en serie serían:

H = n · (a + c · Q2)

Dos o más bombas están acopladas en serie, cuando el tubo de impulsión de una de ellas,

está unido al de aspiración de la siguiente, y así sucesivamente.

Las diferentes bombas tendrán el mismo caudal, mientras que la altura manométrica

resultante será la suma de las alturas manométricas correspondientes a cada bomba, es

decir:

H = HA + HB

Q = QA = QB

Para determinar el punto de funcionamiento conjunto, hay que determinar la curva

característica conjunta de las bombas en serie, y hallar su intersección con la curva

característica de la conducción.

Para ello se dibujan sobre un

mismo gráfico, figura 7.25, las

curvas características de las

bombas individuales; a

continuación se traza, para un

caudal cualquiera QA, la vertical

correspondiente, y sobre ella se

llevan las alturas manométricas

correspondientes a cada bomba,

que se sumarán, obteniéndose así

la altura manométrica total del

conjunto para dicho caudal QA y

así sucesivamente para los

demás caudales, dando esto lugar

a la curva característica conjunta.

Para conseguir el punto de

funcionamiento, hay que actuar

siempre dentro de la zona de

rendimientos óptimos, y procurar

que en dicha zona se produzca la

intersección de las curvas

características de la tubería y del

conjunto de las bombas.

Si se pretende obtener un aumento de la altura manométrica, manteniendo sensiblemente

el caudal constante, el acoplamiento en serie permite obtener, con un rendimiento del

orden del de una sola bomba, que la característica de la tubería de impulsión vuelva a

cortar a la característica conjunta de las bombas en serie, no lejos de la vertical que pasa

por el caudal bombeado por una sola bomba qA. Hay que tener presente también que, así

como en el acoplamiento en paralelo no se presentan dificultades, en el acoplamiento en

serie es preciso tener en cuenta que la presión de aspiración de una bomba cualquiera, se

corresponde con la presión de impulsión de la bomba precedente.

Maniobras de arranque y parada.

Puesta en marcha de una bomba centrífuga.- Para poner en marcha una bomba

centrífuga hay que tener presente las siguientes consideraciones:

a) Comprobar todos los purgadores, bridas, líneas, etc., asegurándose de que no se ha

olvidado ninguna junta ciega.

b) Si la bomba está recién instalada, comprobar que puede girar sin dificultad rodándola a

mano. Comprobar que el sentido de rotación del motor es el correcto.

c) Comprobar la lubricación de los cojinetes y demás partes móviles.

d) Comprobar los cierres líquidos.

e) Cerrar la válvula de impulsión, abrir la de aspiración plenamente y llenar de líquido la

carcasa. Púrguese el aire o vapor por el purgador situado en la parte más alta de la

carcasa. Si el líquido que vamos a bombear es caliente déjesele fluir hasta que caliente la

carcasa.

f) Si la bomba está accionada por una turbina, hay que purgar la línea de vapor a través

de la misma con el fin de calentarla y eliminar condensados. Asegurarse que la válvula de

vapor de escape está abierta. Comprobar asimismo la lubricación.

g) Poner en marcha la bomba hasta alcanzar la presión normal y abrir entonces la válvula

de impulsión lentamente y asegurarse que la presión se mantiene en su valor. Hay que

tener en cuenta que si se abre demasiado rápidamente la válvula de impulsión, se puede

originar una pulsación repentina con la pérdida de la succión.

Parada de una bomba centrífuga

a) Cerrar la válvula de impulsión; esto reduce la carga del motor y evita el retroceso si la

válvula de retención no funcionase.

b) Parar el motor o turbina.

c) Dejar la bomba llena de líquido a menos que el producto tenga un alto punto de

congelación o viscosidad. En este caso vaciar la bomba cerrando previamente la válvula

de aspiración. Abrir la purga de presión de la bomba. Volver a cerrar esta purga. Si la

bomba se deja preparada para entrar en servicio, dejar la aspiración abierta.

d) Si existen líneas que lo permiten, mantener calientes las bombas de reserva.

e) Si se va a hacer en la bomba alguna reparación, cerrar todas las válvulas de bloqueo y

vaciar la bomba.

Comprobaciones de una bomba centrífuga en funcionamiento

a) Comprobar la presión de descarga

b) Comprobar la empaquetadura. Si tiene anillo empaquetador, comprobar que no está

sobrecalentada o comprobar la presión si tiene engrase de anillo. Si el cierre es mecánico

no se precisa ajuste.

c) Comprobar el nivel de aceite lubricante en la envoltura del cojinete.

d) Comprobar manualmente si existe una excesiva vibración y ruidos.

Defectos de funcionamiento en equipos de bombeo

El motor no anda

a) Comprobar el pulsador principal.

b) Probar a girar el eje manualmente.

c) Si se nota un zumbido no mantener el botón de arranque impulsado más de dos

segundos.

El motor tarda en alcanzar la velocidad

a) Tocar los cojinetes.

b) Probar a mover manualmente y ver si la empaquetadura está demasiado apretada.

El motor se dispara continuamente cuando está andando

a) No probar a ponerlo en marcha más de dos o tres veces seguidas.

b) No utilizar astillas o materiales extraños para ajustar el botón de arranque.

El motor echa humo

a) Pararlo inmediatamente.

b) Si la bomba no impulsa líquido, puede que no esté bien cebada, por lo que es necesario

llenarla completamente de líquido, siendo a veces difícil expulsar hasta la última burbuja

de aire o vapor. También puede ser que la velocidad de giro es demasiado baja, con lo

que la altura alcanzada no es suficiente para vencer la carga de la bomba.

c) El rotor o la línea de aspiración pueden estar obstruidos.

d) Entra aire en la bomba por alguna fuga.

e) La succión no es suficiente.

f) La bomba está girando en sentido contrario al debido.

La bomba no entrega agua.

a) Bomba sin cebar.

b) Velocidad muy lenta.

c) Altura de descarga muy elevada.

d) Excesiva altura de aspiración.

e) Impulsor atascado.

f) Rotación en sentido contrario.

La bomba no entrega el caudal suficiente.

a) Entrada de aire en la tubería de aspiración.

b) Ha quedado aire en la caja de bomba o en la tubería de aspiración, como consecuencia

de haber hecho un cebado incorrecto.

c) Se forma una bolsa de aire en la tubería de aspiración, como consecuencia de no

colocar el cono excéntrico o no disponer de aparato de vaciado.

d) La velocidad es muy lenta.

e) El impulsor está parcialmente atascado.

f) La altura manométrica es mayor que la calculada.

g) La altura de aspiración ha aumentado como consecuencia de una bajada del nivel del

agua.

h) La válvula de aspiración es demasiado pequeña o no está sumergida a la profundidad

adecuada.

Presión insuficiente

a) Velocidad baja;

b) Vapor o aire en el líquido;

c) Diámetro del rodete demasiado pequeño;

d) Sentido de giro invertido;

f) Anillos gastados.

g) Defectos mecánicos tales como: eje descentrado o torcido, caja de estopas demasiado

apretada, cojinetes desgastados, empaquetaduras defectuosas, etc.

Excesivo consumo de energía motriz.

a) Velocidad excesiva.

b) Altura manométrica inferior a la calculada.

c) Defectos mecánicos, tales como: cojinetes en malas condiciones, impulsor deteriorado,

etc.