CONCEPTOS BASICOS DE BOMBEO

ALTURA DE ASPIRACIÓN MANOMÉTRICA
Es la altura negativa o depresión en la tubuladura de aspiración de una bomba, respecto a la atmósfera libre, expresada en metros de columna de líquido impulsado.
El valor de Hs nos lo dará un vacuómetro instalado en la tubería de aspiración, a la altura del eje de la bomba si es de construcción horizontal y a la altura de la parte más alta del borde de entrada de los alabes del impulsor de la primera fase, si es de construcción vertical.
La altura de aspiración manométrica viene expresada por la siguiente relación:

en ella
Hg = altura de aspiración geométrica ente el nivel inferior del liquido y el eje de la bomba
Hf = pérdidas de carga por fricción en la tubuladura de aspiración.
Ha = perdida en los accesorios (válvula de pie, codos etc.)
V = velocidad del liquido
g = aceleración de la gravedad

Si designamos por Hatm el valor de la presión atmosférica, la presión, absoluta en la tubería de aspiración inmediatamente delante del oído del impulsor será:


CAVITACIÓN.

Se conoce con el nombre de cavitación a fenómeno que se produce cuando en un punto de una corriente líquida, la presión se hace inferior a la tensión de vapor correspondiente a la temperatura que se encuentra el líquido, el descenso de la presión, origina que el liquido hierva a una temperatura muy inferior a los 100ºc o sea que comience a vaporizar. En algunos casos dependiendo de las condiciones de circulación se formará un émbolo de vapor, que llegará en ocasiones a obstruir por completo la circulación: en otros, las cavidades serán pequeñas, ocupadas por burbujas de vapor, que arrastrará la corriente y que al llegar a lugares que exista una presión mayor, colapsarán, acompañando este colapso con esfuerzos de compresión súbitos de gran intensidad.

El hecho de formación de burbujas o émbolos de vapor no tiene en sí mayores consecuencias, el colapso súbito con los esfuerzos que le acompañan es el que origina los inconvenientes de la cavitación.

El ruido que se produce por el colapso de las burbujas, es característico del fenómeno, así como las vibraciones.

Si el punto de colapso, es decir el punto donde aumenta la presión esta cerca de una superficie sólida, resulta que esta superficie recibe una cantidad innumerable de impactos intermitentes y al final fallará por fatiga del material.

De aquí la importancia en las bombas y los cuidados que deben tenerse para evitarlo.

En las bombas centrifugas, el lugar de menos presión se encuentra a la entrada del impelente, pero la presión aumenta inmediatamente después, en cuanto el liquido entra a los conductos que forman los alabes del impelente, y si se ha producido la evaporación del liquido porque la presión a la entrada lo permite, se producirá el colapso de las burbujas sobre las paredes, con el efecto consiguiente.

El aspecto de la superficie afectada por la cavitación es el de una superficie sobre la que ha actuado una inmensa corrosión.

Estos efectos reducen la eficiencia de la bomba, llegando a su inutilización y su operación costosa, de ahí la importancia de evitar que se produzca este fenómeno.

Para evitar la cavitación en toda instalación de bombeo se procurará que el valor de la presión absoluta obtenida no sea inferior a la necesaria para producir la aceleración del líquido y sea superior a la tensión del vapor del líquido impulsado a la temperatura existente.

NPSH (Net Positive Sucetion Head)

Por definición el NPSH es la altura total de carga a la entrada de la bomba, medida con relación al plano de referencias, aumentada de la altura correspondiente a la presión atmosférica y disminuida de la altura debida a la tensión de vapor del líquido.
Hay Que tener presente dos conceptos:

NPSH (Requerido)

Presión absoluta mínima en el oído del impulsor que garantiza un flujo sano en el interior de la bomba. Es un dato básico característico de cada tipo de bomba, variable según el modelo y tamaño y condiciones de servicio, por tanto es un dato que facilitan los fabricantes.

NPSH (Disponible)

Presión absoluta total en el oído del impulsor como resultado final de la aspiración especifica de las condiciones de la instalación. Es función de la instalación e independiente del tipo de bomba

El conocimiento del NPSHd por el instalador es fundamental para la elección adecuada de la bomba y evitar así posibles fracasos.
En el caso de un proyecto, el cálculo del NPSHd se efectuará mediante la aplicación de la siguiente fórmula:

En donde:
Patm = presión atmosférica (m.)
Hg = altura geométrica de aspiración (m.)
Hf = perdidas de carga por ficción (m)
Ha = perdidas de carga por accesorios (m)
Tv = tensión de vapor (m)
Todos estos datos pueden obtenerse fácilmente por cálculo o por conocimiento de la instalación.

NPSHr se determina por la formula:


Siendo:
Hz = Presión absoluta mínima necesaria en la zona inmediata anterior a los alabes.
V2/2g = Carga cinética correspondiente a la velocidad de entrada del liquido en la boca del impulsor.

Para un funcionamiento correcto de una instalación se verificará siempre que:

La altura de aspiración geométrica (Hg) se calcula entonces por la expresión:


A pesar de cumplirse la condición anterior en la que NPSHd >> NPSHr puede presentarse algún fenómeno de cavitación, al reducir el caudal bombeado a limites en los que se produce una recirculación en el oído del impulsor que puede provocar localmente una disminución de presión, inferior a la tensión del vapor del liquida.

Una bomba en condiciones hipotéticamente ideal a nivel del mar podría aspirar a una altura de 10,33 m, pero con la altura la presión atmosférica disminuye, así a 900 m sobre el nivel del mar se reduce a 9,23 m.

En condiciones reales en el caso de bombeo de agua como ocurre en el riego γ ~ 1, mientras la tensión de vapor a 20º c tiene un valor de 0,12 m, la altura disminuye entonces a 9,11 los otros factores que reducen la altura de la succión son las perdidas por fricción y locales que dependen como ya se ha dicho de las condiciones de la instalación en este ejemplo se supone 0,53 m las primeras y 0,40 por accesorios, reduciéndose la altura a 8,18 m, finalmente el NPSHdr valor que depende del modelo de la bomba y de las rpm, mientras mayor es la velocidad de trabajo para una misma bomba mayor será NPSHr y menor la capacidad de succión, en el ejemplo se considera NPSHr = 3,25 m por lo que finalmente el eje de la bomba se tendrá que instalar a una altura igual o menor a 4,93 m.



Nota: Plano de referencia es el plano horizontal que pasa por el centro del circulo descrito en su giro, por el punto más elevado del borde de entrada del alabe del rodete.

Las soluciones como ya hemos indicado solamente pueden conseguirse aumentando el NPSHd y por tanto, podemos adoptar cualquiera de las siguientes:

• Aumento del diámetro de la tubería de aspiración.
• En bombas verticales aumentar la sumergencia.
• Disminuir la altura geométrica de aspiración.
• Cambio a una bomba mayor a menor velocidad, etc.

TUBERIAS DE SUCCIÓN.

Para obtener en una instalación la máxima altura de aspiración geométrica, será necesario reducir al mínimo los parámetros que puedan provocar una disminución del valor de NPSHd.
Para conseguirlo deberemos cumplir los siguientes requisitos:

• Mantener la temperatura del agua lo más baja posible.
• Tubería lo más corta posible.
• Con la menor cantidad de uniones y codos posibles.
• Codos con radio de curvatura = 2 diámetros.
• Tubería ascendente hacia la bomba con pendiente entre 0,5 y 2 %.
• Utilizar contracciones asimétricas, con la parte superior recta hacia arriba.
• El diámetro de la tubería no debe ser menor que el diámetro de entrada de la bomba.
• Utilizar válvulas de pie en diámetros menores a 400 mm.
• Tuberías de aspiración herméticas a la presión atmosférica.
• El tramo próximo a la bomba será recto con una longitud mayor a 2 diámetros.
• El diámetro de la tubería de aspiración se determinara de acuerdo con la velocidad permisible:
Para diámetro hasta 250 mm velocidad = 0,7 a 1 m/s
Para diámetro desde 300 a 800 mm velocidad = 1 a 1,5 m/s
Para diámetro mayor de 800 mm velocidad = 1,5 a 2 m/s

Bombas en paralelo.
• El número de tubos de succión debe ser igual al número de bombas.
• Distancia entre ejes de succiones horizontales > 3 D entrada.
• Distancia entre ejes de succiones verticales > 10 D entrada.


El valor de NPSHr se deberá tomar de los datos facilitados por el fabricante de la bomba.

El fenómeno de la cavitación en función del caudal elevado.

1. Cuando el caudal suministrado por la bomba se redice al 25% del caudal optimo(Qop = 100% ), se produce una elevación del NPSH r (máxima turbulencia ). Este valor va disminuyendo hasta alcanzar un valor mínimo en el punto 1 (40% Qop ).
2. Entre los puntos 1 y 2 (40 y 60% Qop ) el valor de NPSHr se mantiene en su valor mínimo ( turbulencia mínima ).
3. A partir del punto 2 ( 60% Qop ),el valor de NPSHr va aumentando progresivamente pasando por los puntos 3 y 4 ( Qop ) y alcanzando el punto de máximo valor, cuando el caudal elevado es del 130% de Qop (turbulencia máxima).

DISEÑO DE LA SUCCIÓN.

Perdidas de carga.
Las pérdidas por fricción en la tubería de aspiración se determinan por una de las formulas siguientes:

Hazen-William
Ecuación válida para diámetros D > 50 mm.


Donde:

S = Perdidas de carga (m / m)
Q = Caudal (m3 / s)
D = Diámetro (m)

Coeficiente C.
Tuberías de plástico nuevas 150
Tuberías de acero nuevas 120
Tuberías de acero usadas 110

Scobey

Se emplea fundamentalmente en tuberías de aluminio. En el cálculo de tuberías en riegos por aspersión, la fórmula incluye también las pérdidas singulares que se producen por acoples y derivaciones propias de los ramales, es decir, proporciona las pérdidas de carga totales. Las perdidas de carga vienen mayoradas en un 20%.

Donde:

S = Perdidas de carga (m / m)
Q = Caudal (m3 / s)
D = Diámetro (m)

Coeficiente K.

Tubos de acero galvanizado con acoples 0.42
Tubos de aluminio 0.40
Tuberías de acero nuevas 0.36
Tuberías de plásticos 0.32

Manning

Valida para régimen turbulento rugoso.

Donde:

S = Perdidas de carga (m / m)
Q = Caudal (m3 / s)
D = Diámetro (m)

Coeficiente n
Plástico (PE) 0.006 – 0.007
Plástico (PVC) 0.007 – 0.009
Acero comercial 0.015

Blasius

Para plásticos D<110 mm y temperatura del agua de 20ºC.

Donde:

S = Perdidas de carga (m / m)
Q = Caudal (l / h)
D = Diámetro (mm)

Perdidas locales.

Las perdidas locales ocasionada por los distintos accesorios de la tubería de aspiración se determinan por la formula siguiente:

Ha = perdidas locales en m.c.a.
K = coeficiente que depende del tipo de accesorio.
V = velocidad de paso.
g = aceleración de la gravedad = 9.81 m/seg2

Los valores de K para los distintos accesorios se dan en la tabla siguiente:


Tensión de vapor y viscosidad del agua a distintas temperaturas



Presión admosferica en función de la altura sobre el nivel del mar.



Ejemplo de cálculo de tubería de aspiración de una bomba horizontal.


Caracteristicas de la toma
Material de la tubería acero negro
Caudal de la bomba = 32 l/seg.
Carga de la bomba = 48 m.c.a.
Altura sobre el nivel del mar = 920 m
Temperatura del agua = 20ºC
Hg(real) = 4,23 m
Por tablas determinamos:
Patm = 9,20
Tv = 0,0124
γ = 0,9982


Diámetro de la tubería.

Evaluando para velocidad de 0,7 y 1 m/s

D1 = 202 mm
D0,7 = 241 mm

El diámetro interior comercial entre estos dos valores es 211 mm (219,1 x 4,78)

Selección de la bomba.

Al seleccionar la bomba se recomienda comparar los datos de NPSHr de varias bombas similares de distintos fabricantes para tomar precaución y no ser victimas de “los piratas del bombeo”


Características de la bomba.

Q = 32 l/s
H = 48 m
η = 79,1 %
N = 19,06 kw
NPSHr = 5,82
Daspiración = 80 mm
Dimpulsion = 65 mm

La sumergencia de la bomba según los gráficos es: S = 0,5 m

L tubo = 5,63 + 4,26 + 0,5
L tubo = 10,39
Perdidas en la tubería:
Formula de Manning

Donde:
S = Perdidas de carga (m / m)
Q = 0,032 (m3 / s)
Di =0,211 (m)
Coeficiente n = 0,015


Hf = 10,39 x 0,0095 = 0,1
Hf = 0,10

Perdidas por accesorios.


V = 1 m/s
g = 9,8 m/s2
Válvula de chef K = 5,9
Codo de 90º K = 0,17
Contracción K = 0,22

Ha = 0,30 + 0,01 + 0,01

Ha = 0,32

Hg = 2,92 m < 4,23 m
Como la altura Hg de cálculo es menor que el desnivel topográfico entre el eje de la bomba y el nivel mínimo del agua (4,23 m), se tomara una de estas medidas.
• Selección de otra bomba con un NPSHr 4,54 m ó menor
• Instalar la bomba a una altura tal que el desnivel sea igual o menor a 2,92 m
• Instalar otro tipo de bomba (vertical, sumergible)