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Tecnología de Tierras y Aguas I - Teoría de Bombas
TEMA 9
TEORÍA DE BOMBAS
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MAQUINAS DE BOMBEO
La elevación e impulsión de líquidos ha sido un problema difícil de resolver satisfactoriamente en
tiempos atrás y ocupa un amplio campo en la técnica de la ingeniería actual.
Extraer agua de los pozos, almacenándolo en la superficie, impulsarlo a cotas convenientes, en una
palabra transportar un liquido de un nivel inferior a otro superior (cotificación), es el objeto y fin de
las maquinas de bombeo.
Existen en estos momentos un gran número de diferentes bombas, para usarse en la elevación del
agua, pero son pocos los tipos que puedan utilizarse en forma económica, ya que no todas cumplen
con las necesarias condiciones de eficiencia.
CLASIFICACION DE BOMBAS:
a) Centrífugas de eje
horizontal
vertical
b) De propulsores
centrífugas
axiales
c) De turbinas
axiales
semiaxiales
d) Electrosumergibles
e) Otras
Alternativas Embolo
Diafragma
Rotativas
Engranaje
Paletas
Tornillos
Leva
Ariete
Aire Comprimido
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POTENCIA DE UNA BOMBA:
Para lograr su objetivo la bomba debe realizar un trabajo, es decir elevar un peso F a una altura H, y
debe disponer de una potencia si este trabajo se efectúa en una unidad de tiempo.
T=F*H
P = (F * H)/t
Se define potencia útil de la bomba a:
Pu = ( þ * V * H ) / t
Si:
F=þ*V
Q=V/t
Pu = þ * Q * H
Para obtenerla en caballos vapor se divide por 75.
Pu = (þ * Q * H) / 75
Donde:
Pu: Potencia útil en Kgm/seg o CV
þ: Densidad del fluido en kg/m3
Q: Caudal en m3/seg
H: Altura en m
La potencia necesaria para accionar la bomba en cuestión, o sea la potencia en el eje de la misma será:
P = Pu = þ * Q * H
n
n * 75
Donde:
n: Rendimiento de la bomba
Conclusión:
Pu --> Potencia suministrada por la bomba
P --> Potencia necesaria para accionarla.
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BOMBAS CENTRIFUGAS
Las bombas centrífugas son construidas en dos tipos, las de eje horizontal con impulsor
vertical y las de eje vertical con impulsor horizontal.
Ambos tipos de bombas aspiran el agua dentro de sus impulsores, cuando están cargados.
Es por ello que estos estén cerca de la superficie del agua a ser bombeada, no siendo
recomendable una distancia mayor a los 6 a 7 mts.
Las bombas de eje vertical tienen la ventaja que pueden ser bajadas a la profundidad requerida
y alargar el eje hasta encontrar el motor.
Descripción:
Están formadas por las siguientes partes:
* Eje: une rotor o impulsor, con la polea que transmite el movimiento desde el motor. Está
soportado generalmente por rulemanes (en las bombas chicas hay solo uno).
La lubricación del eje se produce por aceite depositado en la caja de aceite, situado entre la
polea y la carcaza.
* Impulsor: generalmente de bronce, formado por dos caras circulares que encierran las aspas
que tienen forma semicirculares,
este se encuentra situado en el interior del cuerpo de la bomba construida en hierro fundido llamado
carcaza o cuerpo.
Para que el agua no salga de la carcaza cuando el impulsor está en movimiento, está el prensa
estopa, situado sobre el eje en donde este entra en la carcaza.
Al prensa estopa se le coloca en su interior la empaquetadora, que es por lo general un cardán
de amianto grafitado, que evita el escape del agua (anillo de cierre).
Sobre la carcaza hay por lo general una pequeña abertura llamada agujero de cebado.
Las bombas centrífugas debido a su poca capacidad de crear vacío, deben ser cebadas para
que funcionen bien, no elevarán agua hasta que se encuentren cargadas.
* Carcaza o cuerpo: construida de hierro fundido.
BOMBAS DE TURBINA
Son centrífugas con un eje de gran longitud y poseen dos o varios impulsores.
Se las usa cuando el nivel del agua está por debajo de los limites de succión de las bombas
centrífugas comunes; pueden alcanzar con éxito profundidades hasta 100 mts bajo tierra.
En general son más caras y más difíciles de reparar y mantener.
Se clasifican teniendo en cuenta el flujo producido por los impulsores. En el de tipo
centrífugo, descarga el flujo de agua en ángulo recto al eje de rotación. En el de flujo axial se produce
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la descarga de agua en forma casi paralela al eje de rotación. Además existe otro modelo mixto que es
una combinación de los anteriores.
Descripción:
Tienen tres partes principales:
* El cabezal: que es exterior y está en contacto con el motor o con la toma de fuerza.
* Los tazones con los impulsores.
* La columna de descarga.
El eje que parte desde el cabezal de la bomba, llega a los tazones y mueve los impulsores, los
que descargan el flujo de agua a la columna de descarga que sale del exterior.
Al comenzar la hilera de tazones hay un filtro a pantalla que impide que elementos extraños de
gran tamaño puedan ascender y dañar los impulsores.
Los tazones tienen más guías fijas en su interior llamadas álabes guía o difusores; luego del
rotor el agua llega a los álabes siendo guiada hacia la columna de descarga, lugar donde se transforma
la energía cinética en energía de presión.
La columna de descarga, comunica los tazones con el exterior, además en su interior el eje
que transmite el movimiento del motor a las turbinas.
El eje a su vez está cubierto por un caño, protegiendo lo y conteniendo a los rulemanes y
soportes del eje manteniéndolo completamente fijo y vertical.
El máximo diámetro del impulsor, es determinado por las medidas del tazón y a su vez éste
por el diámetro del caño camisa de la perforación.
Como generalmente el diámetro de la perforación es reducido, la carga desarrollada por un
solo impulsor se denomina carga unitaria, la cual es pequeña, por lo tanto es usual colocar más de un
impulsor a fin de alcanzar mayor presión. Esto determina que una bomba sea de una o varias etapas.
BOMBAS ELECTROSUMERGIBLES
No es más que una bomba de turbinas acoplada a un motor eléctrico sumergible, colocado en
la parte inferior de la bomba.
Ambos, motor y bomba, están suspendidos en la perforación, colgando del caño de salida;
eliminando largos ejes, rulemanes, retenes, etc., aumentando el rendimiento.
Son aptas para perforaciones mayores a 4 pulgadas.
Descripción:
La bomba está formada por una turbina como las descriptas anteriormente, equipada con
impulsores cerrados o abiertos colocados en serie.
Los cerrados se colocan cuando se necesita desarrollar altas presiones, mientras que los
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abiertos cuando necesitan grandes caudales.
El agua entra a la bomba por una rejilla colocada entre ésta y el motor.
Otra ventaja de este tipo de bombas es la ausencia de ruidos y de problemas de
sobrecalentamiento, las cuales aseguran una larga vida útil, casi exenta de mantenimiento.
El motor sumergible está hecho de manera tal que resulte de pequeño diámetro y es más largo
que los motores ordinarios, de manera que cabe perfectamente en el pozo.
Los motores se los puede dividir en húmedos o secos, en los primeros el agua ingresa en el
interior permitiendo la refrigeración, solo está sellado el arrancador. En los segundos totalmente
cerrados lubricados con aceite que se coloca a presión.
El costo de instalación y mantenimiento de esta bomba es bajo.
El caño de descarga está conectado a la bomba y sale por el caño camisa.
El panel de control, la llave y el medidor deben colocarse en lugar seco para evitar accidentes.
BOMBAS DE PROPULSORES:
Este tipo de bombas es similar a las de turbinas en lo que respecta a su construcción y diseño,
solo varía las características de los impulsores.
Estas bombas erogan grandes caudales desarrollando pequeñas alturas, actualmente utilizadas
para evacuar colectores de drenaje o de desagües.
Están formadas como las de turbinas por el cabezal, caño de descarga, tazones y campana de
succión.
Los propulsores tienen apariencia de hélices, impulsando el agua hacia arriba paralela
al eje de la bomba.
Se construyen en varias etapas.
Tienen la ventaja del bajo costo de instalación, la desventaja principal que no puede bombear
agua desde grandes profundidades.
Hay dos tipos de bombas de propulsores: de flujo axial y la de flujo mixto.
La primera posee el propulsor simple de flujo axial, pudiendo bombear solo a profundidades
de 3 a 4 mts.
Existen bombas disponibles en el mercado, desde 8" a 48". El impulsor formado por aspas
como las hélices de los barcos con una inclinación que está de acuerdo con la carga y la velocidad a
desarrollar. El agua es movida hacia arriba por un efecto de succión producido por efecto de tornillo
de las hélices.
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Las segundas han sido diseñadas para descargas muy grandes con una baja profundidad de
bombeo.
Se pueden operar desde los 2 a 4 mts las de una etapa y hasta 40 mts la de varias etapas;
generalmente se construyen entre 10" y 30"'.
Este tipo usan aspas curvas, generando solo una fuerza de succión por el efecto de tornillo, si
no además se le suma algo de fuerza centrífuga.
Para su instalación necesita una base fuerte de ...... de manera que no influya las vibraciones
en su funcionamiento.
Es conveniente en ambos tipos colocar mallas filtrantes para reducir la posibilidad de entrada
de elementos extraños a la bomba.
La capacidad de operación de estas bombas va desde 70 l/seg hasta los 320 l/seg.
CURVAS CARACTERISTICAS:
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Se obtienen en los laboratorios hidráulicos mediante ensayos, donde se practica un ensayo
exhaustivo de la capacidad, la presión de operación, los Hp teóricos y la eficiencia de trabajo.
Generalmente se presentan tres curvas:
a) Curva caudal-carga o caudal-altura: representa la variación del caudal erogado por la
bomba para cargas variables, dá el rango de trabajo.
b) Curva de eficiencia: muestra la relación entre el trabajo dado y trabajo absorbido o
aprovechado por la bomba en el eje de la misma (%). La eficiencia debe ser determinada para una
carga, capacidad y velocidad dada y a los fines de su selección deberán preferirse bombas con amplio
rango de eficiencia.
c) Curva de potencia requerida: muestra como varía la potencia necesaria en función del
caudal, esta curva representa el consumo de potencia en el banco de prueba (no incluye las pérdidas
en el resto del equipo).
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SELECCION DE LA BOMBA A SER USADA:
Para seleccionar una bomba que se ajuste a las necesidades hay que conocer las condiciones
de trabajo en las que tendrá que operar.
Los datos requeridos para la selección de la bomba son:
* Profundidad del nivel estático
* Profundidad de succión o trabajo
* Válvula de pie y filtro
* Altura de descarga
* Altura manométrica de la bomba
* Caudal a erogar por la bomba
* Tipo de motor disponible
* Uniones disponibles.
Con estos datos y con el catálogo de las casas fabricantes se seleccionará la más conveniente
para la perforación o extracción en cuestión.
DETERMINACION DE LAS CONDICIONES DE TRABAJO PARA LAS BOMBAS
DETERMINACION DE LA ALTURA MANOMETRICA
Para que una bomba funcione con su máxima eficiencia, es necesario calcular en la forma más
exacta posible las condiciones en que ésta deberá trabajar.
Podemos definir la altura manométrica (Hm) como la suma de las pérdidas de succión,
impulsión, fricción, presión y velocidad expresada en metros.
La altura de succión más la de impulsión se denomina altura geométrica, por lo tanto se
determina como la distancia entre el nivel de agua y el centro del eje de la bomba más la distancia
entre el centro de la bomba y el centro del caño en el punto de descarga. Las pérdidas por fricción
ya sea en la cañería y en los accesorios son determinadas por tablas.
La altura representativa de las pérdidas por presión también expresadas en metros, se adopta
de acuerdo a la presión necesaria que se quiere tener a la salida de la cañería (Ej. para un equipo de
riego -> 3 atm) ==> ver tubería.
Al pasar el agua del estado de reposo al movimiento produce un cambio en la energía, de
potencial a cinética, por lo tanto la altura representativa de la velocidad se expresa:
h = v²
2g
EJEMPLO DE DETERMINACION DE LA ALTURA MANOMETRICA Y POTENCIA
NECESARIA PARA BOMBA CENTRIFUGA DE EJE HOIRIZONTAL
Se instalará una bomba centrífuga en las márgenes de un arroyo y se regará por aspersión, se
utilizará un aspersor modelo ZE 30D que necesita una presión de trabajo de 4 atm y el caudal a
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bombear es de 80.000 l/h con una cañería de 4"
a) Determinación de las pérdidas:
a.1) Altura geométrica: 6m + 3m = 9m
a.2) Pérdidas por accesorios:
2 codos a 45° ---> 3m de caño de 4"
a.3) Pérdidas por fricción:
succión + descarga ---> 70m de caño de 4"
Q = 0.022 m3/seg
Ý = 4"
MOODY ---> hf = 6.8m
a.4) Pérdidas por velocidad:
hv = v²
2g
hv = 0.4m
a.5) Pérdidas por presión:
4 atm salida de ...... = 40m
TOTAL: 56.2 mts = Hm
b) Determinación de las eficiencias:
Eficiencia de la bomba: 70 %
Eficiencia del motor: 85 % Ef total = 0.595
Transmisión (directa): 100 %
c) Determinación de la potencia en HP:
HPmotor = 0.022 m3/s * 56.2 m * 1000 kg/m3 = 27.7 HP
75 * 0.595
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