Optimización y Funcionamiento de Bombas Hidráulicas: Rodetes, Acoplamientos y Cavitación
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Recorte de Rodete y Acoplamiento de Bombas
La curva característica de una bomba se proyecta con un rodete prototipo. El recorte de dicho rodete modifica sus propiedades. Generalmente, se experimenta una pérdida de rendimiento al recortar el rodete, debido a un aumento en las pérdidas volumétricas e hidráulicas. No obstante, si el punto de operación deseado se encuentra a una altura inferior, un recorte adecuado puede optimizar el rendimiento. Las curvas proporcionadas por el fabricante son orientativas, permitiendo ajustar el rodete según las necesidades específicas de la aplicación.
Figura 3.3: Curvas de la bomba para distintos diámetros del rodete.
Acoplamiento de Bombas
El acoplamiento de bombas puede realizarse en serie o en paralelo:
Acoplamiento en Serie
En un acoplamiento en serie, el caudal circulante a través de cada bomba es el mismo, y la altura total se suma (por ejemplo, 2H para dos bombas). Es menos común acoplar dos bombas físicas en serie; lo habitual es integrar rodetes adicionales dentro de la misma bomba para aumentar la altura.
Acoplamiento en Paralelo
En un acoplamiento en paralelo, se incrementa el caudal total, ya que ambas bombas operan a la misma altura. Esto amplía significativamente el abanico de posibilidades operativas.
Ventajas del acoplamiento en paralelo:
- Fraccionar el caudal (Q) según la demanda, lo que flexibiliza la operación en la estación de bombeo.
- Mayor seguridad ante el fallo de una unidad, permitiendo que la operación continúe con las unidades restantes.
- Reducción de transitorios, ya que las cargas se distribuyen de manera más eficiente.
- Disminución de la sobreintensidad de arranque, facilitando un inicio más suave.
Velocidad Específica de Bombas
La velocidad específica es un parámetro clave utilizado por los fabricantes para catalogar y caracterizar sus bombas. Se define como la velocidad hipotética a la que giraría una bomba geométricamente similar para bombear un caudal de 1 metro cúbico por segundo (1 m³/s) a una altura de 1 metro (1 m).
Clasificación de Bombas por Velocidad Específica (ns)
Las bombas pueden clasificarse eficazmente utilizando su velocidad específica (ns):
Bombas Centrífugas
El flujo de agua entra axialmente y sale radialmente (perpendicular). Se caracterizan por generar altas alturas y bajos caudales, con valores de velocidad específica típicamente alrededor de 10 rpm.
Figura 3.4: Dirección del flujo en una bomba centrífuga.
Bombas de Flujo Axial
El flujo de agua entra y sale axialmente (en la misma dirección). Se caracterizan por generar bajas alturas y altos caudales, con valores de velocidad específica cercanos a 120 rpm.
Figura 3.5: Dirección del flujo en una bomba axial.
Bombas de Flujo Mixto
El rodete presenta una configuración intermedia entre la centrífuga y la axial, no siendo 100% perpendicular. Se caracterizan por valores de velocidad específica alrededor de 80 rpm.
Figura 3.6: Dirección del flujo en una bomba de flujo mixto.
NPSH (Net Positive Suction Head) y Cavitación
El NPSH puede condicionar significativamente el diseño de una bomba, ya que para evitar la cavitación y asegurar un funcionamiento óptimo, el fluido debe ingresar a la aspiración con una energía mínima.
La cavitación es un fenómeno que ocurre debido a una bajada de presión (local o en un tramo del sistema), lo que provoca una disminución de la temperatura de ebullición del fluido. Esto lleva a la formación de burbujas de vapor a temperatura ambiente. Este proceso es común en zonas donde el fluido alcanza velocidades muy altas.
El colapso de estas burbujas genera microjets de alta energía que, al impactar contra las paredes de la bomba, pueden causar daños severos.
En las bombas, las burbujas de cavitación suelen formarse en el ojo del rodete (oído), la zona de menor presión y mayores velocidades. A medida que el fluido avanza, las burbujas se desplazan en un movimiento espiral dentro de la bomba, adhiriéndose a los álabes al pasar de zonas de baja presión a zonas de mayor presión. Al aproximarse a la voluta y alcanzar el final de los álabes, estas burbujas colapsan violentamente sobre su superficie.
La ocurrencia prolongada de este fenómeno intensifica sus efectos perjudiciales. El desgaste por cavitación es un proceso acelerado; a medida que el tiempo transcurre, el daño se acentúa progresivamente, magnificando el efecto destructivo de la cavitación.