Ingeniería Mecánica: Curvas características de una bomba centrífuga (II)

Ya he comentado en una  anterior entrada la importancia de la buena comprensión en la lectura de las curvas características de una bomba centrífuga. Con ello podemos resolver ciertos problemas sobre la bomba ocasionados por tener un punto de trabajo fuera del rango previsto. Hemos visto cómo se obtienen las curvas y cómo puede ser, de manera esquemática, un banco de ensayos para la obtención de las mismas de manera experimental. En esta ocasión quiero seguir hablando del uso que puede hacerse de estas  curvas características  y cómo se ve afectado el punto de trabajo de la bomba cuando realizamos ciertas modificaciones en la instalación o sobre la misma bomba.

Ya vimos que tanto la altura H, la potencia P, el rendimiento η y la altura neta positiva requerida en la aspiración o NPSHR son función del caudal Q. Para una bomba centrífuga a una velocidad de giro constante y un determinado diámetro de rodete representábamos estas funciones obteniendo así las curvas características de la bomba.

Curvas características de una bomba centrífuga

Por otro lado nuestro sistema, es decir nuestra instalación, entendida como el conjunto de válvulas, tuberías, codos, etc. tendrá una exigencia que puede representarse en una curva característica Ha-Q también llamada curva de altura de la instalación o de la tubería. Esta curva representa la altura total requerida por la instalación en función del caudal. Generalmente, la altura total del sistema es la suma de dos componentes, el estático que es independiente del caudal

 

y el dinámico que aumenta con el cuadrado de la velocidad del fluido bombeado

 

El término  corresponde a la suma de las perdidas de carga total producidas por los accesorios de la instalación como válvulas, reducciones de tubería, codos, etc.

Esquema del sistema de bombeo

Por tanto la altura requerida por la instalación Ha, en función del caudal Q, puede ser representada en una gráfica que podrá ser de la siguiente forma

Curva característica de nuestro sistema

Para obtener el punto de trabajo de nuestra bomba debemos tener en cuenta que debe ser aquel en el que la altura total generada por la misma es igual a la altura necesaria en la instalación, es decir, el punto de trabajo de la bomba se encuentra en la intersección de las curvas Ha(Q) del sistema y H(Q) de la bomba. Efectivamente, esta intersección determina el caudal Q que puede ser suministrado por la bomba a través de nuestro sistema y con éste podremos determinar la potencia absorbida P, el rendimiento η y el NPSHR de la bomba. Este concepto es de la mayor importancia y debe recordarse siempre. Otro tema de vital importancia para el funcionamiento real en el punto de trabajo es que la altura neta positiva de aspiración disponible o NPSHD sea mayor que la altura neta positiva de aspiración requerida o NPSHR marcado en este punto por el fabricante, incluso mejor si se añade un cierto margen de seguridad de 0,5m, es decir, NPSHD≥NPSHR+0,5.

Obtención del punto de trabajo de nuestra bomba

Nótese que la potencia es función del peso específico, estas curvas características de la bomba se obtienen utilizando agua como líquido bombeado. Si se manipula un liquido de mayor o menor peso específico, es fácil determinar la potencia precisada por la bomba multiplicando simplemente la potencia obtenida «en agua» por el peso específico del nuevo medio.

Lo ideal es tratar de seleccionar una bomba con unas curvas características de tal forma que al obtener el punto de trabajo, la bomba opere con un rendimiento lo mas alto posible, siempre teniendo en cuenta las exigencias de nuestra instalación. Esta condición es fundamental y si esto es posible y seleccionamos una bomba que, en nuestra instalación, funcione con un rendimiento máximo minimizaremos el consumo de energía de la instalación. Por el contrario, si nuestro punto de trabajo se encuentra alejado de los valores de máximo rendimiento, podemos modificar la curva del sistema, la curva de la bomba o ambas. Para ello tenemos varias alternativas.

Podemos variar la altura debida a las perdidas de carga con el fin de modificar la curva del sistema, por ejemplo variando el diámetro de la tubería o estrangulando el caudal del líquido bombeado. En la siguiente figura vemos el efecto producido en la curva del sistema, si elevamos las perdidas de carga obtenemos la curva de trazo y punto y el nuevo caudal Q’, si las disminuimos tendremos la curva a trazos y el nuevo caudal Q».

Modificación de la curva del sistema

La altura geométrica de elevación también puede variar según varían los niveles del tanque de aspiración y descarga. En este caso la curva del sistema íntegramente se mueve arriba y abajo conforme progresa el ciclo de bombeo. Si no podemos conseguir unos niveles constantes  en ambos tanques puede resultar difícil alcanzar un rendimiento aceptable, en estos casos suele utilizarse un variador de velocidad para accionar la bomba. Otra opción muy utilizada en el  proceso de máquinas de papel, por ejemplo en el vaciado de púlperes del sistema de rotos, es el uso de una tubería de recirculación. Con ésta, una válvula de regulación sobre la misma y otra válvula de regulación sobre la tubería de impulsión podemos mantener el caudal Q constante para obtener un rendimiento más que  aceptable, el tipo de regulación en estos casos es de rango partido, es decir, si una válvula abre al 30% la otra lo hará al 70%, si abre la primera al 40%, la segunda lo hará al 60% y así sucesivamente. En la siguiente figura vemos un esquema de este tipo de instalación.

Sistema de bombeo con recirculación

Podemos observar como varía también el punto de trabajo cuando variamos el diámetro del impulsor. En la siguiente gráfica podemos ver cual es el efecto de dicha variación. A este respecto cabe señalar que es muy difícil seleccionar una bomba que nos de exactamente el caudal Q requerido ya que la curva característica de la misma debería cortar a la de nuestro sistema justo en el punto de capacidad precisada, por consiguiente se elige un impulsor ligeramente mayor. También hay que hacer notar que un incremento del diámetro del impulsor lleva asociado un incremento de la potencia absorbida, no siempre es posible variar nuestro punto de trabajo variando el diámetro del impulsor por limitaciones en este aspecto, por ejemplo ante la imposibilidad de instalar un motor de mayores dimensiones. En la siguiente figura las curvas a trazos corresponden a una disminución de diámetro de impulsor y las curvas a trazo y punto a un incremento de diámetro.

Variaciones en el diámetro del impulsor

En cuanto a los cambios de velocidad, tenemos que como principio operativo de las bombas centrífugas, si se duplica la velocidad de la bomba se cuadruplica la altura desarrollada por la bomba, ya que dicha altura es proporcional al cuadrado de la velocidad. En cuanto al caudal, si se duplica la velocidad a la que la bomba centrífuga opera, duplicamos la capacidad que la bomba puede dar, debido naturalmente, a que la velocidad a través del impulsor se ha duplicado. Por ejemplo, si tenemos una bomba capaz de desarrollar una altura total de 15 m a 400 l/min y 1750 rpm, con un diámetro determinado de impulsor, desarrollará 60 m de altura total a una capacidad de 800 l/min cuando gire a 3500 rpm. Sin embargo, hemos de volver ahora a la fórmula relativa a altura, capacidad, rendimiento y potencia absorbida, y suponiendo que el rendimiento de la bomba no se modifica cuando variamos la velocidad podemos ver que la potencia queda multiplicada por ocho cuando duplicamos la velocidad de la bomba. La razón de esto es que la capacidad se duplica cuando duplicamos la velocidad, y la altura se cuadruplica. Como estos dos factores se multiplican para llegar a la potencia absorbida, vemos que esta potencia se incrementa ocho veces. Por esta razón no podemos incrementar arbitrariamente la velocidad de una bomba centrífuga. Un bomba que fue diseñada para funcionar a determinada velocidad debe ser capaz de transmitir una gran parte de potencia adicional si la bomba gira a una velocidad superior. Para lograr una somera idea del funcionamiento de la bomba, suponemos que el rendimiento permanece constante y aplicamos la relación antes indicada. Esta relación, formulada para una bomba y un diámetro de impulsor dados, se expresa así

Recuérdese que un cambio de velocidad origina siempre un cambo de capacidad, altura y potencia. Todos estos factores cambian simultáneamente. Se tendrá en cuenta, no obstante, que estas fórmulas son sólo aproximadas, puesto que el rendimiento cambia ligeramente. Sin embargo es una aproximación excelente, y como tal las fórmulas tienen gran validez.

De momento es todo, en otra entrada posterior quiero hablaros de otro tema que afecta al buen funcionamiento de nuestras bombas centrífugas, se trata de la cavitación. Con todo esto creo que queda cubierto la teoría y principio de funcionamiento de este tipo de bombas.

Por favor, dejadme cualquier comentario o duda que al respecto os surja. Gracias.

Un saludo

mecantech@gmail.com