3.3-SISTEMAS DE ENERGIZACION DE LOS FLUIDOS 3.3.1-INTRODUCCION Cuando se expresa el término “Energización” se lo hace desde el punto de vista de dotar al fluido

de la energía necesaria que le permita a éste movilizarse de un punto a otro en una determinada instalación o proceso. Podemos expresar que existen dos alternativas principales mediante las cuales se logra la energización de un fluido, a saber: MEDIOS NATURALES (Gravedad): Se da cuando los puntos de inicio y fin del traslado del fluido se hallan con alguna diferencia positiva de altura. En estos casos se aprovecha la energía potencial del líquido para lograr con ella la movilidad del mismo. POR MEDIO DE EQUIPOS DE BOMBEO: Con estos equipos se logra la viabilidad del transporte o movimiento de masas líquidas entre dos puntos racionales cualesquiera que éstos resulten, sin importar en estos casos las posiciones en altura de los puntos de partida ni llegada del fluido. Se tratará a continuación particularmente lo concerniente a la energización de fluidos mediante la utilización de equipos de bombeo, tanto para procesos como para servicios. Estos equipos pueden agruparse/clasificarse en dos grandes grupos:

EQUIPOS DE BOMBEO

CENTRIFUGOS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Estos equipos normalmente pueden ser accionados mediante diversos sistemas de motorización destacándose entre los más utilizados a los motores eléctricos (electrobombas), con los que se posibilita, entre otros, la movilidad del fluido a través de un intercambio energético 1. 3.3.2-BOMBAS CENTRÍFUGAS Son los equipos comúnmente utilizados en la mayoría de las instalaciones para el bombeo y consecuente desplazamiento de líquidos. Estos equipos se emplean para movilizar tanto a pequeños como grandes caudales2. Estos equipos tienen la particularidad de impartirle velocidad al fluido a través de la fuerza centrífuga generada en su interior mientras éste pasa a través de las paletas del rodete o impulsor. Las bombas centrífugas, en definitiva, son equipos mecánicos de una simple configuración y con pocos elementos constitutivos, destacándose entre ellos el rodete o impulsor, el cuerpo y las bocas de aspiración e impulsión, según se muestra en la Figura 19. Los impulsores pueden ser cerrados o abiertos utilizándose los primeros para líquidos limpios y para líquidos con materiales en suspensión los otros. El cuerpo de las bombas, en general, son de diseño partido. Vertical para equipos de pequeño y mediano tamaño y con diseño partido horizontal para los de gran porte ya que éstos permiten importantes ventajas en la apertura de los mismos, tanto para su inspección como para su mantenimiento.

1 2

Este intercambio de energías se refiere a: Fuerza Electromotriz de Red Vs. Energía de Presión. Desde caudales menores a 1 m3/h hasta algunos de varios miles de m3/h.

Esquema en corte de una Bomba Centrífuga

FIGURA 19 Otra característica importante de este tipo de equipos de bombeo es que permite, para el caso en que se requiera importantes alturas de elevación de los fluidos, construcciones con más de una etapa3. Como ejemplo podemos citar a los equipos que normalmente se utilizan en instalaciones para alimentación de calderas, en recirculación de pinturas, etc. (Ver Figura 20)

Esquema de una Bomba Centrífuga Multietapa de 5 rodetes

FIGURA 20

3

Estos equipos se denominan también como Multietapa, Multicelular o Multiestadio y poseen mas de un rodete o impulsor los que interactúan con el fluido tal como si fueran equipos instalados en serie.

En cuanto a la posición física de los mismos, referenciándolos respecto del eje motor, las bombas centrífugas se construyen tanto con diseño horizontal como con diseño vertical. Esta accesible dualidad, en la geometría del sistema de bombeo, permite resolver de forma sencilla y económica diferentes particularidades en diversas instalaciones y o procesos. (Ver Figura 21)

Electrobombas Centrífugas de diseño Horizontal y Vertical

FIGURA 21 3.3.2.1-VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS BOMBAS CENTRIFUGAS Se pueden señalar, entre las principales ventajas que ofrece este tipo de equipos, a las siguientes: Construcción simple, con el impulsor como la única parte móvil. Funcionamiento adecuado tanto impulsando líquidos limpios como líquidos sucios 4 Operación suave y sin vibraciones Servicio confiable y de bajo costo de mantenimiento Conexión directa a los motores eléctricos que las accionan Construcciones de los más variados tamaños, materiales y prestaciones de operación

-

En cuanto a las desventajas podemos sintetizarlas en dos grandes ítems: -

Presiones de funcionamiento limitadas Importantes restricciones para el caso de bombeo de fluidos de alta viscosidad

3.3.2.2-DIVERSOS TIPOS DE EQUIPOS - MATERIALES CONSTITUTIVOS En la actualidad se construye y comercializa una importante diversidad de equipos de bombeo centrífugos siendo que cada uno de estos diseños responde o se acomoda particularmente para dar respuesta a diversas características o exigencias que requiere cada servicio y/ o uso, a costos adecuados. Se puede hacer una gran primer diferenciación para estos equipos de bombeo señalando diferencias respecto tanto al tipo de flujo que generan en su funcionamiento como en el tipo de servicio en el que se los utiliza, a saber:

TIPO DE FLUJO5

4

Radial :El fluido sale sobre un plano perpendicular al eje motor Axial :El fluido sale en espiral en cilindros coaxiales según la dirección del eje motor Mixto :El fluido sale con velocidad que posee componentes radiales y axiales

Debe entenderse así a todos aquellos fluidos con elementos sólidos (relativamente grandes o bien del tipo abrasivos) en suspensión. 5 A su vez, la mayoría de estos equipos de bombeo, pueden ser también de una o mas etapas.

TIPO DE SERVICIO5

Sumergibles De motor sumergido Autocebantes De pozo profundo Trituradoras (para aguas sucias y barrosas) Cloacales Autoaspirantes (bombeo de líquidos volátiles y gases) De vacío (aspiración de gases) Sanitarias Dosificadoras Otras

Respecto del tipo de materiales que se utilizan para la construcción de estos equipos, especialmente en lo referente a cuerpos y rodetes, podemos señalar a los siguientes: fundiciones de hierro, aceros fundidos, aceros inoxidables y diversos plásticos de ingeniería 6. Los materiales a utilizar en estos equipos se deben definir y seleccionar con el propósito de dotar a los mismos de estructuras básicas, en cuanto al tipo y calidad de materiales, que le permitan lograr un correcto desempeño en el proceso en el que deberán intervenir previendo además satisfacer la durabilidad y tipo de prestación esperada.

3.3.2.3-CURVAS CARACTERÍSTICAS La representación de las características particulares de las bombas centrífugas se realiza preferentemente con curvas, las que son graficadas por los distintos fabricantes a través de mediciones y pruebas con los equipos de bombeo sobre “bancos de ensayo”, lugar éste donde se generan los valores referenciados. Con una bomba centrífuga, de proceso-típica, operando en un banco de ensayo a velocidad constante y con un determinado diámetro de impulsor, se pueden obtener las siguientes curvas características, a saber: Presión - altura de descarga Vs. caudal impulsado (H) Rendimiento () CURVAS CARACTERISTICAS

Potencia absorbida por el eje del impulsor (N) Altura Neta Positiva de Aspiración7 (A.N.P.A.)

Para un pronto y sencillo análisis e interpretación de las Curvas Características, se las suele graficar mediante “escalas” adecuadas de forma tal que todas ellas puedan ser representadas sobre un mismo par de ejes ortogonales. (Ver Figura 22)

6 7

Denominación dada a diversos materiales como ser: Polietileno, Poliamida, Polipropileno, PTFE (teflon) y otros. A.N.P.A.: Ver definición en el punto 3.3.2.7

A.N.P.A. N

 H H

Curva de fricción de la línea8 Punto de funcionamiento del sistema9

 N

A.N.P.A.

Q Curvas Características de una Bomba Centrífuga

FIGURA 22 Estas curvas permiten formular algunas conclusiones interesantes como ser: la potencia absorbida (N) crece en forma continua y linealmente con el caudal (Q), mientras la curva del rendimiento () parte de cero, pasa por un máximo y vuelve a descender. La intersección de la curva Q-H y la curva de fricción de la línea determinan el llamado “Punto de Funcionamiento del Sistema”. Este punto, en la práctica, debiera a la vez ubicarse en la vecindad del máximo rendimiento del equipo de bombeo, maximizando con ello las prestaciones del mismo. La curva de fricción del sistema varía aproximadamente con el cuadrado del caudal. 3.3.2.4-COLUMNAS ESTATICAS En las diversas alternativas y posibilidades de posicionamiento y montaje de una electrobomba centrífuga, generalmente se define a la Columna Estática como la altura de la columna de líquido que actúa sobre la bomba expresándose ésta siempre en metros de columna de líquido. En la Figura 23 se muestran las tres formas mas comunes de instalación y a la vez se definen los términos comúnmente utilizados para cada una de las componentes de estas columnas.

8

También denominada como Curva de Fricción del Sistema. Esta curva, propia de la configuración de la línea en cuanto a su longitud, componentes y estado particular de los mismos, no resulta común graficarla ya que ello poco contribuiría a los estudios requeridos para la determinación de los equipos de bombeo. Lo que si calcula, con la mayor precisión posible, son los valores de H y Q necesarios para que el fluido pueda ser conducido llegando al punto de abastecimiento con las características y condiciones de flujo requeridas por el proceso. Con dichos valores de H y Q, calculados matemáticamente, se podrá seleccionar luego el equipo de bombeo mas adecuado. 9 Denominado también como punto de funcionamiento

a= Columnas estáticas de succión (aspiración) b= Columnas estáticas de descarga (impulsión) c= Columnas estáticas totales Columnas Estáticas en diversas instalaciones de bombeo

FIGURA 23 3.3.2.5-OPERACIÓN CON EQUIPOS DE BOMBEO EN PARALELO Y EN SERIE Resulta a veces que los requerimientos de caudal y o de presión necesarios en un determinado proceso no pueden ser satisfechos con la utilización de un único equipo de bombeo. En estos casos puede operarse con dos o mas equipos instalados en paralelo y o en serie en función de los parámetros necesarios a alcanzar. Para especificar correctamente los parámetros de los equipos de bombeo, necesarios para dar respuesta a la necesidad de un determinado proceso, deberá considerarse en cada caso la curva del sistema propuesto siendo que para equipos en paralelo el comportamiento final de los mismos se obtiene agregando las capacidades para la misma columna de líquido. Cuando los equipos de bombeo operan instalados en serie, el comportamiento final se obtiene agregando las columnas de líquido a la misma capacidad. En las Figuras 24 y 25 se grafican, para dos equipos de bombeo 10, estas dos alternativas de operación comúnmente utilizadas en diversos procesos e instalaciones industriales.

10

A los efectos de simplificar la explicación y entendimiento de las curvas, tanto de las originales como de las finalmente resultantes, se deberá interpretar o bien acordar que los equipos de bombeo B1 y B2 son idénticos en cuanto a sus prestaciones y que las curvas particulares se dibujan sin superposición al simple efecto de visualizarlas mejor.

Funcionamiento de Equipos en Paralelo

FIGURA 24

Funcionamiento de Equipos en Serie

FIGURA 25

3.3.2.6-DATOS CENTRÍFUGA

NECESARIOS

PARA

LA

SELECCIÓN

DE

UNA

ELECTROBOMBA

A continuación se definen los parámetros de fundamental importancia a tener en cuenta al momento del diseño, selección, compra e instalación de un equipo de bombeo, a saber:

CANTIDAD DE EQUIPOS NECESARIOS NATURALEZA DEL FLUIDO A BOMBEAR

-Agua dulce o salada, líquidos ácidos o alcalinos, aceites, naftas, gas-oil, etc. -Temperatura del fluido -Peso específico -Viscosidad -Composición química -Estado o tipo de Líquido (limpio o con sólidos en suspensión)

CAUDALES MÁXIMOS Y MINIMOS A SUMINISTRAR CONDICIONES DE ASPIRACION/SUCCION -Altura de succión -Longitud y diámetro de la cañería de succión

CONDICIONES DE DESCARGA

-Presión necesaria en la descarga -Altura de carga correspondiente a la fricción del sistema

TIPO DE SERVICIO

-Continuo o intermitente

POSICIÓN Y MONTAJE REQUERIDO PARA LA BOMBA -Horizontal -Vertical (de pozo húmedo o pozo seco)

FUERZA ELECTROMOTRIZ -REQUERIDA Y DISPONIBLE- PARA EL ACCIONAMIENTO DEL EQUIPO INSTALACIÓN A INTEMPERIE O BAJO CUBIERTA EQUIPOS STD. O ANTIEXPLOSIVO DIMENSIONES GENERALES DEL EQUIPO -Limitaciones de espacio -Distancias entre centros de las bridas de aspiración, impulsión y entrecentros de anclajes -Certificación de dimensiones por el proveedor

PESO Y VOLUMEN DE EQUIPOS PARA EL ADECUADO MANEJO DE LOS MISMOS OBRAS CIVILES Y TIPO DE ANCLAJES REQUERIDOS PARA LA SUJECCION DE EQUIPOS NECESIDADES a; b; c; etc. PARTICULARES Y/O EXCLUSIVOS DE UN DETERMINADO PROCESO La indefinición, equívoco, desconocimiento o falta de previsión de cualesquiera de los ítems descriptos resultará seguramente un impedimento insalvable para lograr una correcta selección del equipo de bombeo requerido. 3.3.2.7-ALTURA NETA POSITIVA DE ASPIRACIÓN (A.N.P.A.) La altura neta positiva de aspiración, también definida como N.P.S.H. (Net Positive Suction Head), es una Energía de Presión, normalmente definida en metros de columna de agua, que define una de las condiciones básicas requeridas en toda boca de succión de una bomba centrífuga para que ésta pueda desarrollar un adecuado funcionamiento. Como es de prever, tanto el equipo de bombeo como la instalación donde éste deba ser utilizado, poseen una importante relación entre sí resultando que para ambos se define una A.N.P.A. diferente, a saber: EL EQUIPO DE BOMBEO (A.N.P.A. REQUERIDA) Poseen A.N.P.A. LA INSTALACION (A.N.P.A. DISPONIBLE)

La A.N.P.A. del equipo de bombeo o A.N.P.A. requerida depende fundamentalmente, entre otras, de los efectos que produce las características geométricas de la bomba centrífuga y como así también del caudal de bombeo.

El valor exacto de esta componente energética la obtiene y explicita el fabricante de la bomba, para cada equipo, a través de la realización de diferentes pruebas de funcionamiento de los mismos en apropiados bancos de ensayo. Se puede afirmar que el valor de ésta energía de presión resulta condicionada por: 1- VELOCIDAD DE ROTACION DEL RODETE IMPULSOR 2- GEOMETRIA INTERNA DEL RODETE IMPULSOR A.N.P.A. DEL EQUIPO DE BOMBEO 3-CAIDA DE PRESION QUE SE PRODUCE EN EL EQUIPO Depende de: DE BOMBEO, ENTRE LA BRIDA DE SUCCION Y EL INGRESO DEL FLUIDO AL RODETE IMPULSOR 4-CAUDAL DE BOMBEO

La A.N.P.A. de la instalación, o

A.N.P.A. disponible (Altura Neta Positiva de Aspiración aprovechable de un sistema), es una componente energética que se calcula mediante la siguiente fórmula, de acuerdo a lo graficado en la Figura 26:

. Esquema ilustrativo de la A.N.P.A. aprovechable de un sistema

FIGURA 26 N.P.S.H. disponible = Hp + Hz – Hf – Hpv [m.c.a./ bar] Donde: N.P.S.H. disponible: A.N.P.A. aprovechable del sistema Hp: Presión absoluta sobre la superficie del líquido (de donde succiona la bomba) Hz: Elevación estática del líquido sobre la línea de centro de aspiración de la bomba 11 Hf: Pérdida de presión por fricción en la cañería de succión Hpv: Valor de la presión de vaporización del fluido (absoluta) a la temperatura de trabajo12

11 12

Si el nivel del líquido está debajo de la bomba, Hz tomará un valor negativo Valores de Hpv para el agua (en condiciones atmosféricas a nivel del mar): Temp. [°C] Presión de Vaporización [bar] 20 0,023 100 1,013

Resultará imprescindible, para obtener un correcto funcionamiento de los equipos de bombeo, que se cumpla con la siguiente condición: N.P.S.H. disponible en la Instalación ≥ A.N.P.A. requerida por la BOMBA Si la condición de alturas explicitadas en la ecuación referida no se cumplieran, se producirá en la instalación, sin lugar a dudas, la aparición del fenómeno de Cavitación 13. 3.3.2.8-CURVAS UTILIZADAS PARA LA SELECCIÓN DE EQUIPOS DE BOMBEO Una vez conocido los valores de H y Q, entre otros, requeridos por una dada instalación se podrá entonces definir y seleccionar el equipo de bombeo más adecuado. Para ello es importante entender y observar que cada fabricante de equipos diseña y produce tan solo una determinada cantidad de “tipo” de equipos como así también de “modelos” de los mismos con el objeto de proveer o bien atender con ellos a un determinado sector del mercado. Entendido lo recién enunciado podemos decir que existen dos diferentes gráficas con curvas características para definir y seleccionar equipos de bombeo. Una de ellas nos definirá lo que normalmente se define con el nombre del “modelo de bomba”. Supongamos que se necesita seleccionar una electrobomba centrífuga, tipo radial, 1450 r.p.m. de Marca XX, que satisfaga los valores de H y Q siguientes: H = 80 m.c.a; Q = 90 m3/h – Ver “Modelo 65-250” (ver Figura 27) H = 25 m.c.a; Q = 50 m3/h – Ver “Modelo 50-125” (ver Figura 27)

Electrobombas Centrífugas Radiales Marca “ XX ” Curvas para selección de Modelos a 1450 r.p.m.

FIGURA 27

13

Cavitación: Término que implica la existencia de un proceso dinámico de formación de burbujas en el líquido, su posterior crecimiento y subsecuente colapso a medida que el fluido circula a través de la bomba. Estos sucesos, que ocurren en la masa líquida aspirada, generan un efecto de vibraciones y golpeteo en los internos del rodete que de no ser subsanados pueden llevar rápidamente a la rotura del equipo.

Como se puede observar en la figura 27, la gráfica propuesta por un determinado fabricante de equipos (marca XX) muestra que con 25 “modelos diferentes” de este tipo de electrobomba, en este caso de 1450 r.p.m., puede proporcionar un abanico de caudales y presiones para los más diversos usos. Esto resulta posible partiendo de un mismo cuerpo de bomba e impulsor (rodete). Es a este último al que se le practican diferentes tipos de maquinados internos, manteniendo el ancho original, modificando fundamentalmente los diámetros de ingreso y egreso del fluido. Una vez seleccionado el “Modelo” más conveniente podemos acceder a las “Curvas Particulares” de dichos equipos con el objeto de definir con precisión las restantes características del equipo de bombeo mas adecuado a utilizar en el proyecto. 3.3.2.8.1-EJEMPLO DE SELECCIÓN DE EQUIPOS Una vez definido el “Modelo” de electrobomba elegido, nos resta observar y analizar las restantes características del equipo en cuestión. Ello será posible accediendo a las llamadas “Curvas Características” del equipo, las que son diseñadas, construidas y aportadas por el fabricante de las mismas. Para ejemplificar un caso en particular diremos: supongamos que para una determinada línea de bombeo se necesita utilizar una electrobomba, tipo vertical sumergible de pozo profundo, capaz de ofrecer las siguientes características: H = 20 m.c.a; Q = 360 m3/h (Ver Figura 28)

”

Curvas Características de electrobombas Centrífugas Verticales de Pozo Profundo Marca “ YY

FIGURA 28 Observando la Figura 28 se pueden apreciar, entre otras las siguientes cuestiones: Este Modelo de electrobomba B16-YY permite alcanzar, partiendo del caudal dado como dato de 360 m3/h, distintas alturas manométricas o presiones, utilizando diferentes diámetros en su impulsor de 40mm.de espesor (desde 12,5m hasta un poco mas de 30m). Para el caso estudiado el diámetro de impulsor requerido para obtener una presión de 20 m (m.c.a.) es el de 276/26714 mm. Los valores de rendimiento del equipo de bombeo seleccionado, para satisfacer los datos del ejemplo, es intermedio a las curvas correspondientes al 76% y 78%. La altura neta positiva de aspiración (A.N.P.A. - N.P.S.H.) de la bomba seleccionada es de 5m. La potencia requerida para el accionamiento del equipo seleccionado es de 26 kW 15 (35,35 H.P) 14

Las dimensiones 276/267 que se observa para el diámetro de impulsor seleccionado, como en los restantes, responde a un maquinado en chanfle que se practica, sobre el diámetro exterior, al espesor frontal del rodete de cada una de las paletas del mismo, geometría común en rodetes de bombas de este tipo. 15 Equivalencia de unidades de potencia 0,7355 kW = 1 H.P.

3.3.3-BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Estas bombas, a diferencia de las bombas centrífugas, producen un flujo de tipo pulsátil o periódico. Su mayor ventaja reside en poder impulsar cualquier tipo de líquido independientemente de la viscosidad del mismo. 3.3.3.1-PRINCIPIO BASICO DE OPERACIÓN Estos equipos, del lado de la brida (boca) de aspiración, generan en su funcionamiento una cavidad que continuamente modifica su volumen permitiendo ello que pequeñas masas del fluido se puedan desplazar internamente hasta la cavidad de salida, ubicada del lado de la brida (boca) de impulsión. Estos equipos no pueden operarse contra una válvula cerrada en el lado de la descarga de la bomba tal como lo puede materializar una bomba centrífuga en la que sí se puede lograr el total resbalamiento de las partículas del fluido a expensas de intercambiar energía de presión por energía térmica en el fluido. Si a una bomba de desplazamiento positivo se la hiciera operar contra una válvula cerrada en la descarga, el equipo igualmente seguiría impulsando fluido en la cañería aumentando la presión del mismo hasta que en algún elemento de la línea se produzca un colapso y rotura, dañando severamente a la instalación de bombeo. Un ejemplo del funcionamiento de estos equipos, para una bomba del tipo rotativa de tres lóbulos, puede graficarse tal se observa en la Figura 29.

Esquema de pasos y funcionamiento de una bomba rotativa

FIGURA 29 Es fácil observar que las bombas de desplazamiento positivo, al contrario de las bombas centrífugas, producirán un mismo caudal para una determinada velocidad de rotación del equipo (RPM) no importando cual sea la presión de descarga del fluido. Las bombas de desplazamiento positivo pueden clasificarse en dos grandes grupos, a saber:  Bombas Recíprocas Este tipo de equipos opera mediante pistones, émbolos o diafragmas movidos alternativamente en cilindros o cámaras: -A Diafragma -Rotatoria a Pistón -De Acción Directa -De Potencia  Bombas Rotativas Estos equipos se caracterizan por impulsar a los líquidos “empujando” a los mismos al igual que los equipos alternativos, denominándose también por este motivo de desplazamiento positivo. -A Engranajes -De Alabes -A Tornillo -De Lóbulos

3.3.3.2-COMPARACIÓN DE EFICIENCIA Vs. VISCOSIDAD DE LOS FLUIDOS Si se compara el rendimiento o prestaciones capaces de brindar tanto por una bomba centrífuga como por una bomba de desplazamiento positivo, para fluidos de diversa viscosidad, se podrían observar las notables diferencias graficadas en la Figura 30.

H

H  baja  alta

 alta  baja

Q

BOMBAS CENTRIFUGAS

BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Curvas Q & H para Bombas Centrífugas y para Bombas de Desplazamiento Positivo

FIGURA 30 Tal como se observa en la Figura 30, las bombas de desplazamiento positivo proporcionan un caudal (flujo) casi constante sobre un amplio rango de elevación de la presión, mientras que las bombas centrífugas generan presiones bastante uniformes sobre un amplio rango de caudales (flujos). De igual forma, puede fácilmente observarse las diferencias notables entre equipos, en curvas Q & H, en función del efecto de la viscosidad del fluido a impulsar.