C R I T E R I O S D E S E L E C C I N D E B O M B A S

Las bombas centrfugas, frecuentemente, se consideran como componentes simples que se

pueden insertar en circuitos ms complejos. En realidad, es necesario prestar mucha atencin

a su configuracin, que debe estar siempre relacionada con las caractersticas del sistema, con

las necesidades de bombeo y con las exigencias especficas del usuario.

La individualizacin de una bomba a rodete exige un conocimiento profundo de las condiciones

especficas de funcionamiento: quien construye bombas centrfugas debe saber calcular todas

las informaciones tiles para la mejor proyectacin hidrodinmica posible.

Para garantizar el uso correcto de las bombas anticorrosin de plstico, es necesario que el

usuario suministre al constructor detalles precisos sobre las aplicaciones especficas y en

particular sobre los lquidos que tendr que trasladar la bomba. Adems, si es necesario

garantizar que estas bombas trabajen bien y puedan ejecutar sus capacidades con eficiencia

hay que prestar atencin a las instalaciones de la bomba misma, para calcular los efectos de

las condiciones de trabajo con lquido agresivo.

La eleccin de una bomba para lquidos qumicamente agresivos requiere un examen atento de

mltiples datos para ofrecer el producto adecuado a las exigencias del sistema de movimiento.

Un cierto margen de seguridad y prdidas eventuales de carga se deben tener en cuenta, pero

sin prever intiles sobre dimensionamientos: solo as se pueden evitar prestaciones

insatisfactorias, averos imprevistos o injustificados aumentos de costes y de gestin.

Anlisis de algunos elementos de considerar en la eleccin de una bomba

Composicin del lquido: es fundamental en la eleccin de los materiales constructivos de las

distintas partes de la bomba que estn en contacto con el lquido. Mientras ms exactas sean

las informaciones sobre la composicin del lquido que se bombea, ms precisas sern las

elecciones de los materiales que constituyen la estructura de la bomba, as como las

guarniciones y el eventual sellado mecnico.

Por ejemplo: concentraciones distintas de un mismo cido pueden exigir materiales

constructivos de caractersticas diferentes.

Funcionamiento en seco: Se aconseja siempre proteger la bomba del funcionamiento en

seco. Uno de los modos ms usados, es siempre la aplicacin en el pozo de un nivel de

mnimo que interrumpa el funcionamiento de la bomba apenas llega al nivel peligroso para la

misma bomba.

Temperaturas de ejercicio es importante conocer la temperatura mxima y mnima (adems de

la temperatura normal de ejercicio) por los motivos referidos en el punto anterior. La

temperatura del fluido en movimiento acta con efectos importantes sobre los materiales:

temperaturas muy bajas pueden volver frgil una determinada materia plstica, mientras que

temperaturas elevadas pueden crear fenmenos de ablandamiento y deformacin de las partes

constructivas.

Slidos en suspensin: Tambin en este caso, conocer la naturaleza y la cantidad de las

partculas suspendidas es determinante. En efecto, hay materiales que, con la misma

resistencia a la agresin qumica, tienen distintas caractersticas de resistencia a la abrasin.

La naturaleza de los slidos en suspensin puede influir sobre la eleccin misma del tipo de

bomba: en algunos casos puede ser necesario adoptar una bomba vertical sin forros de gua o

evitar el uso de bombas con acoplamiento magntico.

Instalaciones de la bomba: Se debe procurar que la bomba pueda aspirar en una zona del

recipiente o del pozo donde el lquido presente buenas caractersticas. Por ejemplo, si el lquido

tiene tendencia a crear depsitos fangosos en el fondo del pozo, el lquido se tendr que

mantener en continuo movimiento para evitar la formacin de dicho fango. O de lo contrario, la

aspiracin de la bomba tendr que estar ubicada a una altura tal que no pueda bombear

concentraciones demasiado elevadas de fango para que no obstruyan la aspiracin.

Mejor punto de Eficiencia (Best Efficiency Point-BEP)

Todas las bombas (tanto las centrfugas como las volumtricas) tienen lmites operativos. En

modo particular, las bombas centrfugas presentan algunas limitaciones que si no estn bien

consideradas pueden reducir drsticamente su duracin de trabajo. El BEP (Best Efficiency

Point) no es slo el punto de trabajo ms alto sino el punto donde la velocidad y la presin son

iguales sobre el rodete y sobre la voluta. En cuanto el punto de trabajo se aleja del Best

Efficiency Point, la velocidad cambia, lo cual hace cambiar la presin en uno de los lados del

rodete. Esta presin irregular sobre el rodete se manifiesta en un empuje radial que desva el

eje de la bomba causando, entre otras cosas:

Una carga excesiva sobre los cojinetes

Una excesiva desviacin de los sellos mecnicos

Un desgaste irregular del forro del eje

Los daos que pueden ocasionarse son: una duracin menor de cojinetes o la rotura del eje.

Adems del rango operativo recomendado, un avero a la bomba puede ser provocado por la

excesiva velocidad y turbulencia. Los remolinos pueden crear daos de cavitacin capaces de

destruir el cuerpo de la bomba y el rodete en brevsimo tiempo.

Los Materiales

Una atenta eleccin de los materiales de construccin, sean estructurales como de sellado y de

desgaste, realizada en funcin del tipo de equipo y de los fluidos que se trasladan permiten

resolver con seguridad y eficiencia los problemas de bombeo de lquidos a riesgo incluso en

procesos de trabajo ms complejos.

PP (Polipropileno): Caracterizado por buenas propiedades mecnicas, por una amplia

resistencia a los agentes qumicos y por una elevada temperatura de ejercicio. No es adecuado

para los cidos concentrados fuertemente oxidantes y halgenos (flor, cloro, bromo, yodo).

Temperatura mxima de ejercicio: 90C.

PVC (Cloruro de polivinilo): Material muy usado en instalaciones. Resistente a los cidos,

bases, soluciones salinas y compuestos orgnicos. No es apropiado para hidrocarburos

aromticos y clorurados. Temperatura mxima de ejercicio: 45C.

PVDF (Polifluoruro de vinildeno): Presenta una excepcional resistencia a los cidos,

soluciones salinas, hidrocarburos alifticos, aromticos y clorurados, a los alcoholes y a los

halgenos. No es idneo para bases orgnicas, soluciones alcalinas, cetonas, steres y teres.

Indicado para la industria de semiconductores y con lquidos que no se deben contaminar.

Temperatura mxima de ejercicio: 100C.

C R I T E R I O S D E S E L E C C I N D E T U R B I N A S

Uno de los principales criterios que se deben manejar a la hora de seleccionar el tipo de turbina

a utilizar en una central, es la velocidad especfica (Ns) cuyo valor exacto se obtiene a partir

de la siguiente ecuacin:

Ecuacin 1

Donde: ne son revoluciones por minuto, N es la potencia del eje o potencia al freno y h es la

altura neta o altura del salto. Estos son los valores para el rendimiento mximo.

La velocidad especfica Ns es el nmero de revoluciones que dara una turbina semejante a la

que se trata de buscar y que entrega una potencia de un caballo, al ser instalada en un salto de

altura unitaria. Esta velocidad especfica, rige el estudio comparativo de la velocidad de las

turbinas, y es la base para su clasificacin. Se emplea en la eleccin de la turbina ms

adecuada, para un caudal y altura conocidos, en los anteproyectos de instalaciones hidrulicas,

consiguiendo una normalizacin en la construccin de rodetes de turbinas. Los valores de esta

velocidad especfica para los actuales tipos de turbinas que hoy en da se construyen con

mayor frecuencia (Pelton, Francis, Hlices y Kaplan) figuran en el siguiente cuadro:

Tal como se mencion anteriormente Ns sirve para clasificar las turbinas segn su tipo. De

hecho, Ns se podra denominar ms bien caracterstica, tipo o algn nombre similar, puesto que

indica el tipo de turbina.

Al analizar la ecuacin 1 se comprueba que a grandes alturas, para una velocidad y una

potencia de salida dadas, se requiere una mquina de velocidad especfica baja como una

rueda de impulso. En cambio, una turbina de flujo axial con una alta Ns, es la indicada para

pequeas alturas. Sin embargo, una turbina de impulso puede ser adecuada para una

instalacin de poca altura si el caudal (o la potencia requerida) es pequeo, pero, a menudo, en

estas condiciones el tamao necesario de la rueda de impulso llega a ser exagerado.

Adems, de esta ecuacin se observa que la velocidad especfica de una turbina depende del

nmero de revoluciones por minuto; cantidad que tiene un lmite, y adems debe tenerse en

cuenta que para cada altura o salto existe un cierto nmero de revoluciones con el que el

rendimiento es mximo. Tambin depende de la potencia N a desarrollar, funcin a su vez del

Velocidad especfica Ns

Tipo de Turbina

De 5 a 30 Pelton con un inyector

De 30 a 50 Pelton con varios inyectores

De 50 a 100 Francis Lenta

De 100 a 200 Francis Normal

De 200 a 300 Francis rpida

De 300 a 500 Francis doble gemela rpida o express

Ms de 500 Kaplan o hlice

caudal Q de que pueda disponer, y de la altura h del salto. Fijada la potencia y el caudal

aprovechable, el valor de la velocidad especfica indica el tipo de turbina ms adecuado.

Hasta el momento, las ruedas de impulso se han utilizado para alturas tan bajas como 50 pies

cuando la capacidad es pequea, pero es ms frecuente que se utilicen para alturas mayores

de 500 o 1.000 pies, pues normalmente operan con una economa mxima si la carga es

mayor que 900 pies. La altura lmite para turbinas Francis es cercana a 1.500 pies debido a la

posibilidad de cavitacin y a la dificultad para construir revestimientos con el fin de soportar

altas presiones; pero por lo general, suelen alcanzarse cargas de 900 pies con este tipo de

turbinas. Para cargas de menos de 100 pies suelen usarse turbinas de hlice.

La figura 1 ilustra los intervalos de aplicacin de diversas turbinas hidrulicas:

Figura 1 Intervalos de aplicacin para turbinas hidrulicas.

Eligiendo una velocidad alta de operacin, y por tanto una turbina de velocidad especfica

elevada, se reducirn el tamao del rodete y el coste inicial. Sin embargo, se produce alguna

prdida de rendimiento a velocidades especficas altas.

Generalmente, es recomendable tener al menos dos turbinas en una instalacin para que la

central pueda seguir funcionando en el caso de que una de las turbinas est fuera de servicio

por una reparacin o debido a una inspeccin, aunque la cantidad de turbinas disponibles

dentro de una

central tambin afecta la potencia establecida para las turbinas. La altura h est determinada

principalmente por la topografa, y el flujo Q por la hidrologa de la cuenca y las caractersticas

del embalse o depsito. Por otra parte debe tenerse en cuenta que al seleccionar una turbina

para una instalacin dada, se debe verificar la inmunidad contra la cavitacin.

Realmente existe un nmero infinito de alternativas, lo que a su vez dificulta la toma de la

decisin final sobre cul turbina escoger; por esta razn se han sealado los siguientes

conceptos para considerarlos durante el proceso de seleccin:

La inmunidad frente a la cavitacin: La siguiente figura permite determinar la altura mxima

a la cual debe colocarse la turbina conociendo su velocidad especfica, (que de antemano

permite establecer el tipo de turbina).

Fig. 2 Lmites recomendados de velocidad especfica para turbinas a distintas alturas efectivas al nivel del mar siendo la

temperatura del agua 80 F. (Segn Moody)

Un rendimiento bastante elevado:

Fig. 3 Rendimiento mximo de la turbina y valores tpicos de fe (factor de velocidad perifrica), como funciones

de la velocidad especfica.

Es importante tener presente que las ruedas de impulso tienen velocidades especficas bajas;

mientras que las turbinas Francis tienen valores medios de Ns, y las de hlice valores altos. En

la figura 2 se muestran valores tpicos de mximo rendimiento y valores de fe para los distintos

tipos de turbinas.

Los valores de fe varan aproximadamente de la siguiente forma:

Ruedas de impulso 0.43-0.48

Turbinas Francis 0.7-0.8

Turbinas de hlice 1.4-2.0

Un tamao no demasiado grande: conociendo la velocidad tangencial de la turbina, se puede

establecer su tamao. Por su parte la velocidad tangencial se calcula de acuerdo con la

siguiente ecuacin:

Ecuacin 2

Donde: u1 es la velocidad tangencial en un punto de la periferia del elemento rotativo; f es el

factor de velocidad-perifrica para turbinas.

La flexibilidad en la eleccin se consigue mediante la variacin en el nmero de unidades (y por tanto la potencia al freno por unidad) y la velocidad de operacin. La

posibilidad de variar la elevacin del eje tambin aporta algo de flexibilidad al proceso

de seleccin.

Igualmente en la eleccin debe estudiarse adems, la simplicidad de la instalacin, costos (en los que se agregarn al de la turbina, los gastos de piezas, tuberas,

camales, etc.), explotacin y cuantas condiciones econmicas deban considerarse en

los diferentes casos que se presenten.

En ocasiones, una rutina de gran importancia dentro del proceso de seleccin de turbinas

hidrulicas, es la comparacin de stas. Para comparar dos turbinas, se refieren a un salto

cuya altura es la unidad (un metro), llamada salto tpico, y cuyo caudal es la unidad (un metro

cbico por segundo). En este estudio comparativo de turbinas hay ciertas magnitudes referidas

a ese salto tpico denominadas caractersticas, constantes unitarias, de una turbina o valores

especficos; caractersticas que, comparando las turbinas, son de suma aplicacin prctica, ya

que al indicar las condiciones de funcionamiento sometidas a la accin de un mismo salto, dan

muy clara y aproximada idea del adecuado empleo en cada caso de los diferentes tipos de

turbina utilizados actualmente para anteproyectos de instalaciones hidrulicas con estos tipos

normales.

Nmero especfico de revoluciones n1: Llamado tambin velocidad de rotacin

caracterstica o unitaria o nmero de revoluciones caracterstico o unitario, y es el nmero

de revoluciones por minuto de una turbina, cuando la altura de salto fuese de un metro.

Donde n es el nmero actual de revoluciones y h es la altura del salto.

Caudal especfico Q1: Conocido tambin en el medio como caudal caracterstico o

unitario de la turbina, y es la cantidad de agua que pasara por un rodete instalado en

un salto de un metro de altura.

Donde Q es el caudal actual de la turbina y h es la altura del salto donde est instalada la

misma.

Potencia especfica, caracterstica o unitaria: Tambin llamada potencia caracterstica o

unitaria, y es la potencia que desarrollara la turbina instalada en un salto de un metro

de altura.

Ecuacin 5

Donde N es la potencia actual de la turbina y h es la altura del salto donde est colocada.

Finalmente vale la pena mencionar otras formas alternativas para calcular el valor de la

velocidad especfica, las cuales son:

Segn las expresiones para el nmero especfico de revoluciones (ecuacin 3) y para la

potencia especfica se puede expresar el valor de la velocidad especfica (ecuacin 5), dado

por la ecuacin 1, en la forma:

Ecuacin 6

En funcin del nmero n1 especfico de revoluciones y de la potencia N1 especfica o unitaria. Adems existiendo una relacin constante entre el dimetro D1 del rodete y el caudal:

Ecuacin 7

Ecuacin 8

Donde K es el grado de reaccin de la turbina y cuyos valores de K1 y K2, determinados

experimentalmente, estn en el grfico de la figura anterior, en funcin del nmero ns.

Estos valores con la velocidad especfica, constituyen las constantes caractersticas de una

serie de rodetes de turbinas.

Figura 4. Relacin entre el grado de reaccin para dos turbinas y la velocidad especfica