Tutorial de bombas centrífugas (1ª PARTE) Hay muchos tipos de sistemas de bombas centrífugas y muchas variaciones en esto incluyendo los equipos que pueden conectarse al sistema. El papel de la bomba es proporcionar suficiente presión para mover el fluido a través del sistema al caudal deseado. Presión, fricción y caudal son tres características importantes de un sistema de tuberías. La presión es la fuerza de impulsión responsable del movimiento del fluido. La fricción es la fuerza que ralentiza las partículas del fluido. El caudal es la cantidad de volumen que es desplazado por unidad de tiempo. Las unidades para medir el caudal son gaón por minuto (gpm), litros por segundo (l/s) y metros cúbicos por hora (m 3/h). La presión a menudo se expresa en libras por pulgada cuadrada (psi) en el sistema imperial y en kilopascales (kPa) en el sistema métrico. En el sistema imperial de medición, se usa la unidad psig o libra por pulgada cuadrada, lo cual significa que la medida de presión es relativa a la presión atmosférica, de modo que 5 psig es 5 psi por encima de la presión atmosférica. La escala de unidades kPA está prevista para una escala de medición de la presión absoluta a la atmósfera local. ¿Qué es la fricción en un sistema de bombeo? La fricción está siempre presente, incluso en fluidos, es la fuerza que resiste el movimiento de objetos. En fluidos, la fricción ocurre entre capas de fluidos que se desplazan a diferentes velocidades dentro de la tubería. Hay una tendencia natural para que la velocidad del fluido sea más alta en el centro de la tubería que cerca de la pared de la tubería. La fricción siempre será alta para fluidos viscosos y fluidos con partículas suspendidas. Otra causa de fricción es la interacción del fluido con la pared de la tubería, cuanto mayor es la rugosidad, más elevada es la fricción. La fricción depende de: - Velocidad promedio del fluido dentro de la tubería. Viscosidad. Rugosidad de la superficie de la tubería. Un incremento en cualquiera de estos parámetros incrementará la fricción. La cantidad de energía requerida para superar la pérdida de fricción total dentro del sistema tiene que ser suministrada por la bomba si deseamos alcanzar el caudal requerido. En sistemas industriales, la fricción es normalmente una gran parte de la salida de energía de la bomba. Para sistemas típicos, es alrededor del 25 % del total. Si llega a ser mucho más alta examinaríamos el sistema si las tuberías son demasiado pequeñas. Sin embargo todos los sistemas de bombeo son diferentes, en algunos sistemas la energía de fricción puede representar un 100 % de la energía de la bomba. En los sistemas domésticos, la fricción puede ser una mayor proporción de la salida de energía de la bomba, quizás hasta un 50 % del total, esto es debido a que las pequeñas tuberías producen una mayor fricción más alta que en las tuberías más grandes para la misma velocidad del fluido promedio en la tubería. Otra causa de fricción son los accesorios (codos, tees, Y, etc) requeridos para conseguir que el fluido vaya de un punto A a B. Cada uno tiene un efecto particular en la línea de corriente del fluido. Por ejemplo en el caso del codo, la línea de corriente que está más próxima al radio interior cerrado del codo desde la superficie de la tubería formando pequeños vórtices que consumen energía. Esta pérdida de energía es más pequeña para un codo pero tiene varios codos y otros accesorios que pueden llegar a ser significativos. Generalmente hablando ellos raramente representan más del 30 % de la fricción total debido a la longitud total de la tubería. Altura y energía en sistemas de bombeo La energía y altura son dos términos que a menudo se usan en sistemas de bombeo. Usamos energía para describir el movimiento de líquidos en sistemas de bombeo debido a que es más fácil que ningún otro método. Hay cuatro formas de energía en sistemas de bombeo: presión, elevación, fricción y velocidad. La presión se produce en el fondo del depósito del líquido hasta que el líquido rellena el contenedor completamente y su peso produce una fuerza que se distribuye sobre una superficie como presión. Este tipo de presión es denominada presión estática. La energía de presión es la energía que se acumula cuando las partículas de líquido o gas se mueven cerca una de la otra. Un buen ejemplo es un extintor de incendios, que trabaja cuando se introduce un líquido en el contenedor y se presuriza. Una vez el contenedor está cerrado la energía de presión está disponible para un uso posterior. Siempre que se tenga un líquido en un contenedor, incluso sin presurizar, tendrá la presión en el fondo debido al peso del líquido, la presión estática. La energía de elevación es la energía que está disponible a los líquidos cuando están a una cierta altura. Si permitimos descargarla podemos hacer algo útil como producir electricidad con una turbina. La energía de fricción es la energía que se pierde en el medio ambiente debido al movimiento del líquido a través de tuberías y accesorios en el sistema. La energía de velocidad es la energía que tiene el movimiento de objetos. Cuando abrimos una válvula en el fondo de un tanque el fluido deja el tanque con una cierta velocidad. En este caso la energía de presión se convierte en energía de velocidad. Las tres formas de energía: elevación, presión y velocidad interactúan entre sí en los líquidos. Para objetos sólidos no hay energía de presión debido a que no se extienden hacia afuera como los líquidos rellenando todo el espacio disponible y por lo tanto no están expuestos a los mismos tipos de cambios de presión. La energía que la bomba debe suministrar es la energía de fricción más la diferencia en peso que el líquido debe ser elevado que es la energía de elevación. Cuando el líquido entra al sistema a alta velocidad entonces tendríamos que considerarlo pero no es una situación típica. Tutorial de bombas centrífugas (2ª PARTE) Ver 1ª PARTE Ahora veamos qué es la altura. La altura es una forma de simplificar el uso de la energía. Para usar energía necesitamos conocer la altura del objeto desplazado. La energía de elevación EE es el peso del objeto W veces la distancia d: La energía de fricción FE es la fuerza de fricción F veces la distancia que el líquido es desplazado o la longitud de la tubería l. La altura se define como la energía dividida por el peso o la cantidad de energía usada para desplazar un objeto dividido por su peso. Por energía de elevación, la altura de elevación EH es: Para la energía de fricción, la altura de fricción FH es la energía de fricción dividido por el peso del líquido desplazado: La fuerza de fricción F es en libras y W el peso es también en libras así que la unidad de altura de fricción es en pies. Esto representa la cantidad de energía que la bomba tiene que proporcionar para superar la fricción. Si fijamos un tubo en el lado de descarga de una bomba, el líquido se elevará en el tubo a una altura que exactamente equilibra la presión en la descarga de la bomba. Parte de la altura del líquido en el tubo es debida a la altura de elevación requerida (altura de elevación) y la otra es la altura de fricción. Altura estática La altura de un cuerpo de agua se expresa en términos de pies en el sistema imperial y metros en el sistema métrico. Debido a su altura y peso el fluido produce presión en el punto bajo y cuanto más alto es el depósito mayor es la presión. La cantidad de presión en el fondo de un depósito es independiente de su forma, para el mismo nivel de líquido, la presión en el fondo será la misma. Esto es importante ya que en sistemas de de tuberías complejas será posible conocer la presión en el fondo si conocemos la altura. Cuando una bomba se usa para desplazar un líquido a un nivel superior usualmente se localiza en el punto más bajo o más cercano. La altura del depósito, que se llama altura estática, producirá una presión en la bomba que tendría que ser superada una vez se arranca la bomba. Usualmente el líquido es de un tanque de descarga del tanque. El fluido del tanque de succión proporciona energía de presión a la bomba que ayuda a la bomba. Deseamos conocer cuanta energía de presión la bomba en sí misma debe suministrar antes de que sustraigamos la energía de presión proporcionada por el tanque de succión. La altura estática es luego la diferencia en altura entre la superficie del fluido del tanque de descarga menos la superficie del fluido del tanque de succión. La altura estática a veces se llama altura estática total para indicar que la energía de presión disponible a ambos lados de la bomba ha sido considerada. Ya que hay una diferencia en altura entre las bridas de descarga y succión o las conexiones de una bomba por convenio se ha decidido que la altura estática sería medida con respecto a la elevación de la brida de succión. A veces el extremo de la tubería de descarga está sumergido, entonces la altura estática será la diferencia en elevación entre la superficie del fluido del tanque de descarga y la superficie del fluido del tanque de succión. Ya que el fluido en el sistema es un medio continuo y todas las partículas del fluido se conectan vía presión, las partículas del fluido que se localizan en la superficie del tanque de descarga contribuirán a la presión acumulada en la descarga de la bomba. Por lo tanto la elevación de la superficie de descarga es la altura que debe ser considerada para altura estática. Se vitará el error de usar el extremo de la tubería de descarga como elevación para calcular la altura estática si el extremo de la tubería está sumergido. El caudal depende de la diferencia de elevación o altura estática Para sistemas idénticos, el caudal variará con la altura estática. Si la elevación del extremo de la tubería es alta, el caudal será bajo. Si la superficie del líquido del tanque de succión está a la misma elevación que el extremo de descarga de la tubería entonces la altura estática será cero y el caudal estará limitado por la fricción en el sistema. Las bombas a menudo se califican en términos de altura y caudal. La altura varía dependiendo del caudal, siendo la altura máxima la que la bomba puede elevar con respecto a la superficie de la succión del tanque. Cuando compramos una bomba necesitamos especificar la altura máxima de la bomba que puede transmitirse ya que esto ocurre a nivel cero. En vez de eso debemos especificar la altura total que ocurre a un caudal requerido. Esta altura dependerá de la altura máxima que necesitemos para alcanzar con respecto a la superficie del fluido del tanque de succión y la pérdida de fricción en el sistema. Caudal dependiente de la fricción Para sistemas idénticos, el caudal variará con el tamaño y diámetro de la tubería de descarga. Un sistema con una tubería de descarga que esté dimensionada generosamente tendrá un caudal alto. Esto es lo que ocurre cuando se usa una tubería de drenaje grande en depósitos que se están vaciando, entonces el drenaje es muy rápido. Tutorial de bombas centrífugas (3ª PARTE) Ver 2ª PARTE Cuánto más pequeña es la tubería, menor es el caudal. ¿Cómo se ajusta la bomba en sí misma al diámetro? La bomba instalada está diseñada para producir un cierto caudal promedio para sistemas que tienen sus tuberías dimensionadas convenientemente. El tamaño del impulsor y su velocidad predisponen a la bomba a suministrar el líquido a un cierto caudal. Si intentamos empujar el mismo caudal a través de una tubería pequeña la presión de descarga se incrementará y el caudal decrecerá. Similarmente si intentamos vaciar un tanque con un tubo pequeño, tardaremos un largo tiempo en drenarlo. Cuando la tubería de descarga es larga, la fricción será alta y el caudal bajo y si la tubería es corta la fricción será baja y el caudal alto. ¿Cómo produce presión una bomba centrífuga? Las partículas del fluido entran en la bomba en la brida o conexión de succión. Luego giran 90 ºC en el plano del impulsor y rellenan el volumen entre cada rodete del impulsor. Una bomba centrífuga es un dispositivo cuyo propósito es producir presión acelerando las partículas del fluido a una velocidad alta proporcionándoles energía de velocidad. ¿Cuál es la energía de velocidad? Es una forma de expresar cómo la velocidad de objetos puede afectar a otros objetos. Todas las bombas centrífugas tienen una curva de rendimiento o característica que parece similar a la mostrada en la siguiente figura. Asumiendo que el nivel en el tanque de succión queda constante, la curva muestra cómo la presión de descarga varía con el caudal en la bomba. A 200 gpm, esta bomba produce una presión de descarga de 20 psig, y cuando el caudal cae la presión se incrementa, y será 40 psig a caudal cero. Nótese que esto se aplica a bombas centrífugas, pero muchos propietarios tienen bombas de desplazamiento positivo, a menudo bombas de pistón. Estas bombas producen caudal constante y no hay forma de hacer ningún cambio en el sistema. Esto se debe a que las bombas tienen una válvula de alivio que abre la presión de alivio para proteger la bomba de presión excesiva causada por ejemplo por el cierre de una toma de agua. También típicamente, la bomba tiene un conmutador de presión que cierra el motor cuando la presión es demasiado alta. ¿Qué es la altura total? La altura y caudales totales son los criterios principales que se usan para comparar una bomba con otra o seleccionar una bomba para una aplicación. La altura total está relacionada con la presión de descarga de la bomba. ¿Por qué no podemos usar la presión de descarga? Los fabricantes de bombas no usan presión de descarga como criterio para selección de bombas. Uno de los motivos es que ellos no conocen cómo se usará la bomba No conocen qué caudal se requiere y el caudal de una bomba centrífuga no es fijo como en una bomba de desplazamiento positivo. La presión de descarga depende de la presión disponible en el lado de succión de la bomba, para el mismo caudal conseguiremos una presión de descarga diferente. Por lo tanto para eliminar este problema, es preferible usar la diferencia de presión entre la entrada y la salida de la bomba. Los fabricantes de bombas han ido un paso más allá, la cantidad de presión que una bomba puede producir dependerá de la densidad del fluido, para una solución de agua salada que es más densa que el agua pura, la presión será más alta para el mismo caudal. Asimismo, el fabricante no conoce el tipo de fluido en el sistema, así que un criterio que no dependa de la densidad es muy útil. Tal criterio se llama altura total, y se define como la diferencia en altura entre la entrada y la salida de la bomba. ¿Cuál es la relación entre la altura y la altura total? La altura total es la altura que el líquido es elevado en el lado de descarga de la bomba menos la altura que el líquido es elevado en el lado de succión. ¿Por qué es menor la altura en el lado de succión? Debido a que deseamos contribuir a la bomba sólo en la energía que se suministra. ¿Cuál es la unidad de altura? Si usamos energía para describir cuanto trabajo necesita la bomba para desplazar un volumen de líquido, necesitaremos conocer el peso. Si usamos la, sólo necesitamos conocer la distancia vertical del movimiento. Esto es muy útil para los fluidos debido a que el bombeo es un proceso continuo. El otro aspecto útil de usar la altura es que la diferencia de elevación o altura estática puede ser usada directamente como una parte del valor de la altura total. ¿Cómo determinar la altura de fricción? La altura de fricción es la cantidad de pérdida de energía debida a la fricción causada por movimiento de fluido a través de tuberías y accesorios. Emplea una fuerza para mover el fluido contra fricción, de la misma forma que se requiere que una fuerza para elevar un peso. La fuerza es ejercida en la misma dirección que el líquido en movimiento y energía gastada. De la misma forma que la altura fue calculada para elevar un cierto peso, la altura de fricción se calcula con la fuerza requerida para superar la fricción por el desplazamiento (longitud de tubería) dividida por el peso de un fluido desplazado. Estos cálculos se hacen y podemos encontrar los valores de pérdidas de altura de fricción para diferentes tamaños de tuberías y caudales. Caudal y pérdida de altura de fricción para tamaños de tubos y tuberías (imperial) (basado en velocidad de 10 ft/s) Diámetro nominal (in) Diámetro interior (in) Caudal (gpm) Pérdida de altura de fricción (ft de altura por ft de tubería ¼ ½ ¾ 1 1½ 2 2½ 3 4 6 8 10 12 14 0,311 0,527 0,745 0,995 1,6 2,067 2,469 3,068 4,026 6,065 8,125 10,25 12,25 13,5 2,4 6,8 13,5 24 63 105 149 230 400 900 1615 2570 3675 4460 2,15 1,08 0,69 0,48 0,26 0,19 0,15 0,117 0,084 0,051 0,036 0,027 0,022 0,0194 Tutorial de bombas centrífugas (4ª PARTE) Ver 3ª PARTE La tabla anterior nos da el caudal y pérdidas de altura de fricción para agua moviéndose a través de tuberías de diferentes diámetros a una velocidad de 10 ft/s. Se ha elegido 10 ft/s debido a que es un valor típico de velocidad en tuberías, no es demasiado grande para crear bastante fricción ni demasiado pequeña. La velocidad depende del caudal y del diámetro de la tubería. Cálculo de velocidad promedio de la tubería La velocidad promedio en una tubería puede calcularse basándonos en la siguiente fórmula donde la velocidad es en ft/seg, D el diámetro interno en pulgadas y q el caudal en USgalones por minuto. En el sistema métrico: Por ejemplo una tubería 2 ½” Schedule 40 tiene un diámetro interno de 2,469, La velocidad de la tubería promedio para un caudal de 105 gpm sería: Si la velocidad que estamos usando es menor que 10 ft/s entonces las pérdidas de fricción serán menores y si la velocidad es mayor la pérdida será más grande. Una velocidad de 10 ft/ es una práctica normal para el dimensionado de tuberías en el lado de descarga de la bomba. Para el lado de succión de la bomba, es deseable ser más conservador y dimensionar tuberías para una velocidad más baja, por ejemplo entre 4 y 7 ft/seg. Esto es debido a que normalmente veremos un tamaño de tubería más grande en el lado de succión de la bomba que en la descarga. Un criterio habitual es hacer la tubería de succión del mismo tamaño o más grande que la conexión de succión de la bomba. ¿Por qué molestarse con la velocidad, no da el caudal bastante información para describir el movimiento del fluido a través del sistema. Esto depende de lo complicado que sea el sistema, si la tubería de descarga tiene un diámetro constante entonces la velocidad de salida será la misma. Entonces si conocemos el caudal, basándonos en las tablas de pérdida de fricción, podemos calcular la pérdida de fricción solamente con el caudal. Si cambia el diámetro de la tubería de descarga entonces la velocidad cambiará para el mismo caudal y una velocidad más alta o más baja significa una mayor o menor pérdida de fricción en esa porción del sistema. Tendremos que usar la velocidad para calcular la pérdida de altura de fricción en esta parte de la tubería. En el siguiente enlace encontramos un calculador de velocidad. La curva característica o de rendimiento de la bomba La figura con la que abrimos el artículo muestra una curva característica de caudal respecto a altura total. Este es el tipo de curva que todos los fabricantes para cada modelo de bomba para una velocidad de operación dada. Cómo seleccionar una bomba centrífuga El caudal obtenido por una bomba depende de las características físicas de cada sistema tales como la fricción que dependen de la longitud y tamaño de las tuberías y diferencia de elevación que depende del edificio y la localización. El fabricante de la bomba no tiene medios de conocer estas restricciones. Es por ello que comprar una bomba centrífuga es más complicado que comprar una bomba de desplazamiento positivo la cual proporcionará su caudal nominal independientemente del sistema donde se instale. Los factores principales que afectan el caudal de una bomba centrífuga son: Fricción, que depende de la longitud de la tubería y el diámetro. Altura estática, que depende de la diferencia de la tubería y altura de descarga vs. la altura de la superficie del fluido del tanque de succión. Viscosidad del fluido, si el fluido es diferente al agua. Los pasos que debemos seguir para seleccionar una bomba centrífuga son: 1. Determinar el caudal. Para dimensionar y seleccionar una bomba centrífuga, primero determinaremos el caudal en función de las necesidades de agua del proceso. 2. Determinar la altura estática. Es la diferencia de altura entre la superficie del fluido del tanque de succión y la altura de la tubería de descarga o la elevación de la superficie del fluido del tanque de descarga. 3. Determinación de la altura de fricción. La altura de fricción depende del caudal, del tamaño de la tubería y de la longitud de la tubería. Esto se calcula a partir de tablas como la que vimos en párrafos anteriores. 4. Cálculo de la altura total. La altura total es la suma de la altura estática (recordemos que la altura estática puede ser positiva o negativa) y la altura de fricción. 5. Selección de la bomba. Seleccionaremos la bomba basándonos en la información de catálogo del fabricante usando la altura total y el caudal requerido para la aplicación. ¿Cuál es la capacidad de una bomba? El fabricante clasificará la bomba en su altura y caudal totales óptimos, este punto es también conocido como el punto de mejor eficiencia o B.E.P. En este caudal, la bomba está en su mayor eficiencia y tendría una cantidad mínima de vibración y ruido. Por supuesto, la bomba puede operar a otros caudales pero la vida útil de la bomba sufrirá. Como criterio general elegiremos una variación de +/- 15 % de la altura total.