PREAMBULO

Bomba es una máquina que absorbe energía mecánica de una unidad motriz y entrega al líquido que la atraviesa energía hidráulica.

Todo cuerpo sólido, líquido o gas es compresible. Sin embargo, el diseño de una bomba, se hace suponiendo que el líquido bombeado es incompresible o de densidad constante: la bomba es, pues, una máquina hidráulica.

La capacidad de una bomba se puede expresar por el caudal que proporciona.

Las bombas se clasifican en:

1) Bombas Rotordinámicas. Todas y solo las bombas que son turbomáquinas pertenecen a este grupo. Una característica de las turbomáquinas es que el fluido nunca esta confinado en el equipo, estas son siempre rotativas y su órgano transmisor de energía se llama rodete.

Además se llaman rotordimámicas porque la interacción dinámica entre el fluido y la máquina juega un papel esencial en la transmisión de la energía. En este proceso dinámico en el líquido se verifica una transformación de energía, primero se produce un aumento en la velocidad e inmediatamente después viene una transformación de velocidad en presión, siendo el aumento de presión paulatino.

2) Bombas de desplazamiento positivo. A este grupo pertenecen no solo las bombas alternativas (máquinas en las cuales el fluido se encuentra confinado por un tiempo determinado dentro de ellas), sino las rotativas llamadas rotoestáticas porque son rotativas, pero en ellas la dinámica de la corriente no juega un papel esencial en la transmisión de la energía.
Las bombas rotordinámicas se pueden clasificar según:

• la dirección del flujo: bombas de flujo radial, axial, y mixtas o tangenciales.

• La posición del eje: Bombas de eje horizontal, vertical, inclinado.

• El número de flujos en la bomba (simple o doble)

• El número de rodetes (uno o más escalonamientos o etapas) .

LA BOMBA CENTRIFUGA

En la bomba centrífuga la dirección de flujo es entrada axial y salida radial.
Se distinguen de acuerdo con su construcción, diversos tipos de bombas centrífugas. Esto se debe a las condiciones bajo las cuales tienen que funcionar, como son altura de elevación y caudal.

Bombas centrífugas de una sola etapa

La construcción más simple de una bomba centrífuga corresponde a una bomba de una sola etapa con rodete radial, rueda de guía de salida y envolvente circular.

Respecto al funcionamiento se puede notar que el efecto producido por la rotación del rodete surge de la tendencia del fluido adyacente a las caras anteriores de las paletas, a desplazarse radialmente hacia afuera como consecuencia de la fuerza centrífuga, siendo lanzado desde los bordes de las paletas hacia la envolvente. Como resultado de este movimiento, se origina una menor presión en el centro; para reemplazar el fluido descargado por el ventilador, se genera un flujo axialmente hacia dentro del rodete. 

Después de salir del rodete, el líquido recurre la rueda de guía, donde la energía cinética se transforma en energía de presión, y sale después por la envolvente circular a la cañería de presión.

Bombas centrífugas de varias etapas

Al no poderse obtener, por razones prácticas, una gran diferencia de nivel o un gran caudal con una sola etapa, se construyen bombas con dos o más etapas, que dejan pasar el líquido sucesivamente por varios rodetes y ruedas de guía.

Tratándose de presiones altas, las etapas se conectan en serie, y para caudales importantes en paralelo, pudiéndose hacer toda clase de combinaciones.

En las bombas de varias etapas a cada etapa sigue una rueda guía de retorno, quetiene por objeto proporcionar el líquido a la etapa siguiente con pérdidas mínimas y bajo un determinado ángulo. Después de la última etapa el líquido pasa por un recipiente circular o en espiral comunicado con la cañería de presión.

Las bombas de alimentación de calderas se construyen, normalmente, de varias etapas, con rodetes que trabajan en serie.
Los rendimientos por etapas son bajos, y se alcanzan altas presiones con menor caudal

En la figura: Bomba centrífuga de eje horizontal, tipo HZZM de dos escalonamientos, construida por la casa Sulzer de Suiza, para procesos a presiones elevadas de la industria petroquímica, etc. Caudales hasta 1200 m^3/h, alturas útiles entre 200-600m con presiones de servicio hasta 100bar y temperaturas de -20ºC a +130ºC.

CONSIDERACIONES DE ENERGIA

Como se ha dicho en la bomba centrífuga se le entrega la energía cinética a través del rodete, la que después se transforma en presión.

Lo que ocurre:

• En los alabes hay aumento de la velocidad, y disminución de presión. El flujo se acelera aquí se le entrega la energía.

• Al salir del alabe hay un aumento del volumen para el fluido, por lo que disminuye su velocidad, aquí se aplica el principio de continuidad, y la presión aumenta.

• En las bombas con envolvente espiral la conversión de velocidad en presión es paulatina al ir de apoco aumentando el diámetro de la sección hasta la salida.
  

Para calcular el incremento de energía no se considera lo que pasa en el rodete, porque es dificil debido a el efecto de la viscosidad, etc; solo se necesitan las condiciones en la sección de entrada y salida.

Estas son presión, velocidad, y  diferencia de altura física entre la entrada y la salida. Con esto, la variación de la energía se puede representar fácilmente en un gráfico, valiendose de la ecuación de Bernoulli extendida: 

Las unidades son de altura. Las pérdidas ðPR se asocian a la variación de la energía interna y pérdidas de calor. El signo de la potencia es positivo porque se le entrega al fluído.

EFICIENCIA

La eficiencia mide la eficacia con que la bomba transfiere al flujo la energía que consume.

EL RODETE

En todas las bombas centrífugas el rodete transmite al líquido que se desea elevar por medio de sus alabes(paletas) la energía cinética entregada por la máquina de propulsión.

Se pueden clasificar por la dirección del flujo:

• Radiales. la entrada y salida del líquido es en sentido radial.

• Radial con entrada axial o con alabes curvados esféricamente.

En las figuras: a la izquierda un álabe de un rodete de entrada axial y salida radial. A la derecha un esquema computacional de un rodete.

El rodete y las condiciones de funcionamiento

La forma del rodete es determinada por el caudal, altura de elevación y número de revoluciones. Estos tres valores se combinan en el número específico de revoluciones. Este número determina la "rapidez giratoria" de una forma de rodete y es una medida muy cómoda para la comparación de distintas bombas.El número específico de revoluciones es tanto más elevado cuanto más grande es el caudal con respecto a la altura de elevación. De ello resulta que bombas de alta presión tienen bajos números específicos de  revoluciones, y viceversa.

El rodete tiene, para cuocientes elevados de los diámetros salida/entrada, un ancho de salida relativamente pequeña. Esta clase de ruedas se distingue por tener un caudal pequeño y una gran altura de elevación. 

Las bombas con gran caudal y con una altura de elevación relativamente pequeña, poseen un diámetro de salida algo mayor que el de entrada y un gran ancho de salida. En este caso en vez de rueda de guía se emplea una envolvente espiral, es decir una cañería que aumenta espiralmente su diámetro hacia la periferia.
 

TRIANGULOS DE VELOCIDAD
Son la representación gráfica de el las componentes de la velocidad del flujo a la salida y a la entrada de un alabe del rotor. 

El ángulo del alabe a la entrada y a la salida da la dirección para las velocidades relativas (w1, w2) de entrada y salida. 

La velocidad u es la del volumen de control, depende del radio de salida.
c=w+u

 Esquema de los tríángulos de velocidad de entrada (1) y salida (2) para un rodete radial.

CURVAS CARACTERISTICAS

Las características de las bombas, especialmente de las bombas centrífugas, se representan a menudo en formas de diagrama. En estos diagramas se indican generalmente las curvas de altura de elevación, potencia necesaria y rendimiento en función del caudal para velocidad constante. El conjunto de estas curvas constituye la característica general de la bomba.
Si la máquina a velocidad constante está bien seleccionada e instalada, en requerimientos normales funcionará en el punto de rendimiento máximo. Es frecuente sin embargo, que se necesite más o menos caudal. Son éstas condiciones de funcionamiento, cuando la máquina opera a diferentes caudales, las que señalan las curvas características.

Al tener que variar alguno de los valores, respecto a los de servicio, se produce una variación de los otros característicos, porque en una misma bomba, estos valores dependen entre sí.
 Las curvas se determinan por medio de ensayos. La curva H en función de Q se llama curva de estrangulación, porque se encuentra en los ensayos estrangulando el paso del líquido.

Otro parámetro que se considera al seleccionar una bomba es el NPSH, la capacidad de aspiración. El NPSH, se mide en m.c.a, está relacionado con la cavitación, líquido que alcanza presión de vapor, y los márgenes de seguridad que se deben tomar para evitarla al elevar líquido.

  INSTALACION DE UNA BOMBA

La figura representa una instalación de bombeo destinada a elevar agua desde un pozo de aspiración hasta un depósito elevado.  En esta instalación pueden encontrar:

• La alcachofa y válvula de pie: La primera evita la entrada de suciedades (ramas, hierbas, papeles, etc.) que pueden obstruir la bomba, y la segunda hace posible, reteniendo el líquido, el cebado de la bomba.  Ambos elementos originan una importante pérdida de carga.  Si fuera preciso evitar esta pérdida para que no se produzca cavilación  no se instalan estos elementos.  Entonces el cebado se hace mediante una bomba de vacío que elimina el aire de la tubería de aspiración y del cuerpo de la bomba con lo que al crearse un vacío la presión atmosférica eleva el agua hasta el interior de la bomba.

• Las dos válvulas de compuerta en la aspiración y en la impulsión: a veces no se instala la primera; ,pero de la segunda no se prescinde nunca porque sirve para la regulación del caudal de la bomba.

• La válvula de retención en la impulsión: impide el retroceso del fluido, cuando la, bomba se para.  Es imprescindible si la tubería de impulsión es muy larga o se encuentra a gran presión.
   

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PUESTA EN MARCHA
Para que la bomba pueda comenzar a funcionar el tubo de aspiración debe estar lleno de líquido, cuando no es así se debe llenar, proceso conocido como cebado.

Al ponerse en marcha la bomba, la llave de salida permanece cerrada hasta que se produce cierto aumento de presión al alcanzar la bomba el número correspondiente de revoluciones. Durante este tiempo no hay elevación de líquido. Se abre enseguida la llave de salida poco a poco, comenzando así la entrega del líquido que se va elevar.

CAMPOS DE APLICACION

Bombas centrífugas de una sola etapa

• Plantas de tratamientos de agua potable

• Plantas de tratamiento de agua industrial

• Abastecimiento de Agua Plantas

• Sistemas de abastecimiento de agua

• Riego Tecnificado

• Riego por Aspersión

• Sistemas de calefacción 

• Redes contra incendio

• Bombeo de hidrocarburos ligeros

• Sistemas de refrigeración industrial

En particular para bombas que manejan grandes caudales:

• Plantas de tratamiento de agua potable e industrial

• Sistemas de drenaje

• Sistemas de riego de baja presión

• Bombeo de agua en servicios industriales y Municipalidades que requieran grandes volúmenes.
  

Ejemplo:

Bomba centrífuga de 1 etapa, flujo mixto, eje horizontal, carcasa tipo voluta espiral simple, aspiración axial y descarga horizontal. Impulsor cerrado.

Características de Operación

Caudal   : Hasta 850 m3/h
Altura   : Hasta 19 m
Presión máxima  : Hasta 5 Bar
Temperatura  : Hasta 80ºC
Velocidad de Giro : 1450 rpm

Bomba indicada para el manejo del agua y líquidos que no contengan partículas sólidas abrasivas.

(Bomba  producida por VOGT)

Bombas centrífugas de varias etapas

• bombas para refrigeración (con etapas en paralelo para grandes caudales) Alta presión (etapas en serie):

• Alimentación de calderas.

• Abastecimiento de agua en edificios.

• Lavado a presión.

• Redes contra incendio.

• Abastecimiento de Agua Plantas.

Se utilizan para el manejo de agua limpia, que no contenga partículas sólidas abrasivas.

Ejemplo:

Bomba centrífuga de 10 etapas, flujo radial, eje horizontal, carcasa cilíndrica tipo difusor, aspiración horizontal lateral y descarga vertical hacia arriba. Impulsor cerrado.

Caracteríticas de Operación

Caudal   : Hasta 52 m3/h
Altura   : Hasta 255 m
Presión máxima  : Hasta 28 Bar
Temperatura  : Hasta 100ºC
Velocidad de Giro : 2900 rpm

(Bomba producida por VOGT)

MATERIALES

Para responder a los requisitos de diversos líquidos, temperaturas y procesos, las bombas se producen en hierro fundido y bronce de diversas calidades; aceros al carbono, aceros inoxidables y aleaciones especiales, y termoplático como en la imagen adjunta.

CONCLUSIONES
Las bombas centrífuga han ido aumentando cada vez más en importancia desde su invención, desplazando casi completamente a las bombas de émbolo. Se construyen actualmente bombas centrífugas para cualquier caudal y altura, más aún se privilegia el diseño de bombas capaces de operar sobre un amplio rango de condiciones de flujo y velocidades.

La menor dependencia de las características de resistencia de los materiales ha hecho factible también el uso de materiales especiales, que se adecuan mejor a ciertas aplicaciones.