Ecuación de Euler y Rendimiento Máximo en Bombas Centrifugas
La ecuación de Euler es fundamental para comprender el rendimiento de las bombas centrífugas. Para obtener un rendimiento máximo, se deben considerar los siguientes aspectos:
- Ingreso del líquido sin choques.
- Salida del líquido con la menor velocidad posible.
La ecuación fundamental de Euler para bombas centrífugas se deriva de principios similares a los de las turbinas Francis, considerando la fuerza centrífuga y los aforismos hidráulicos:
Ht=(C2.u2.cosα2-C1.u1.cosα1)/g
Generalmente, α1=90º, simplificando la ecuación a:
Ht=(C2.u2.cosα2)/g
Esta expresión proporciona la altura teórica que se puede alcanzar con un rotor determinado, idealmente sin pérdidas. Sin embargo, en la práctica, la viscosidad y el número limitado de álabes reducen la altura teórica (Ht) en un 15% a 50%.
Clasificación de las Bombas Centrifugas
Las bombas centrífugas se pueden clasificar según diversos criterios:
A) Forma de Construcción
Dirección de la corriente en el impulsor: Se dividen en tres tipos:
Bomba Centrifuga (Radial)
La presión se desarrolla principalmente por la fuerza centrífuga. El líquido entra perpendicularmente al ojo del impulsor y se mueve radialmente hacia la periferia.
Bomba Axial
La presión se desarrolla por la acción propulsora de la hélice del impulsor. La dirección de la corriente es paralela al eje de rotación.
Bombas Mixtas
Combinan características de las bombas centrífugas y axiales. La altura de impulsión se desarrolla parcialmente por la fuerza centrífuga y parcialmente por la propulsión del impulsor. La entrada es axial y la descarga puede ser axial o radial.
Tipo de impulsor: La forma del impulsor da origen a una subclasificación.
Tipo de cuerpo:
- Bombas con cuerpo voluta, difusor o turbina: Las bombas con cuerpo voluta utilizan una espiral para guiar el líquido. Las bombas con difusor tienen álabes fijos que convierten la energía cinética en presión.
- Bombas con cuerpo partido en sentido vertical, horizontal u oblicuo.
Número de etapas:
Las bombas pueden ser de simple o múltiples etapas. Las de simple etapa utilizan un solo impulsor, mientras que las de múltiples etapas utilizan dos o más impulsores en el mismo eje, comúnmente utilizadas en pozos profundos.
Eje de rotación: El eje de rotación puede ser horizontal o vertical.
Acoplamiento:
- Directo: Acoplamiento rígido o flexible.
- Engranajes: Reductores o multiplicadores.
- Cadenas o correas.
B) Según su Aplicación
- Bombas para servicios de petróleo: Clasificadas según el líquido a bombear (líquidos calientes, fracciones volátiles, líquidos de oleoductos, líquidos fríos y generales).
- Bombas para servicios químicos.
- Bombas para pulpa y procesos de papel.
- Bombas para líquidos cloacales.
- Bombas para alimentación de calderas.
- Bombas para condensado.
- Bombas para drenaje.
Terminología Básica
Hm= za+zb+hc+hl
- Altura geométrica (Hg): Altura vertical desde el nivel del líquido hasta el punto más alto.
- Altura de aspiración (Ha): Distancia desde el nivel del líquido hasta el eje de la bomba.
- Altura de impulsión (Hi): Distancia desde el eje de la bomba hasta el punto de máxima elevación.
- Altura manométrica (Hm): Suma de la altura geométrica y las pérdidas de carga.
- Pérdida de carga (Pc): Pérdidas por rozamiento del líquido con las paredes de la tubería, válvulas, codos, etc.
- Caudal (Q): Volumen de líquido elevado por unidad de tiempo (m³/h o litros/min).
- Curva característica: Representación gráfica de los puntos de funcionamiento posibles de una bomba.
- Energía cinética: Energía que posee un cuerpo en movimiento. Las bombas centrífugas se clasifican como bombas de energía cinética.
NPSH (Altura Neta Positiva de Aspiración)
NPSH: Diferencia entre la presión del líquido a bombear referida al eje del impulsor y la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo.
El conocimiento del NPSH disponible es fundamental para la selección adecuada de la bomba.
Cavitación y Otros Parámetros
- Cavitación: Ruido causado por la explosión de burbujas de vapor debido a una aspiración excesiva (NPSH insuficiente).
- Número de revoluciones: Relación entre el caudal y la altura de impulsión, que determina la forma del rodete.
- Potencia hidráulica (Ph): Potencia absorbida por la bomba para bombear el líquido. Ph=(γ.Q.Hb)/75 [cv]
- Potencia absorbida (Pa): Potencia en el eje de la bomba, mayor que la potencia hidráulica debido a las pérdidas internas.
- Potencia absorbida por el motor: Mayor que la potencia absorbida por la bomba, considerando las pérdidas internas del motor.
- Rendimiento mecánico (ηm): Relación entre la potencia hidráulica y la potencia absorbida (siempre menor a la unidad).
- Velocidad de rotación: Impuesta por el motor de accionamiento (revoluciones por minuto).
Cálculos Principales
- Altura (H): Distancia vertical entre una superficie libre de agua y una cota de referencia.
- Altura geométrica (Hg): Altura medida verticalmente desde el nivel del agua hasta el punto más alto de la tubería de descarga. Hg=Ha+Hi
- Altura de aspiración (Ha): Altura entre el nivel del agua y el eje de la bomba (no debe ser mayor a 8m).
- Altura de impulsión (Hi): Altura entre el eje de la bomba y el punto más alto al que sube el agua.
- Altura manométrica (Hm): Suma de la altura geométrica y las pérdidas de carga.
- Pérdidas de carga (Pc): Fuerzas que se oponen al avance del agua en las tuberías (rozamiento interno, accesorios). Pc:Hc+Hl
Para proyecto: Hm=zb+hc+hl Ph=γ.Q.Hm/75 Pa=γ.Q.hm/75.ηbomba
Regulación del Caudal en Bombas Centrifugas
- Regulación por estrangulamiento de la tubería: Utiliza una válvula en la tubería de impulsión para crear una pérdida de carga adicional. Es simple pero ineficiente debido a las pérdidas de energía.
- Regulación por arranque-parada de la bomba: Requiere un depósito de almacenamiento grande para operar la bomba a máximo rendimiento durante los periodos de funcionamiento.
- Regulación por variación de la velocidad de la bomba: Es la más económica y eficiente, adaptando la bomba a los datos de servicio requeridos.