Sistemas de Bombeo
Los sistemas de bombeo tienen como objetivo principal impartir fuerza a la red para captar, transportar y distribuir el agua hacia los puntos de consumo. Si bien la altura piezométrica en la que se encuentren las fuentes de agua es un factor clave para determinar si se requieran o no bomba, estas son imprescindibles para mover y propulsar el agua, asegurando el óptimo funcionamiento del sistema.
Estación de bombeo
También llamada estación elevadora, es una instalación compuesta principalmente de estructuras hidráulicas, mecánicas, eléctricas y electrónicas contenidas en una obra civil, encargadas de forzar a un fluido para llegar a su destino, en las condiciones previstas en su diseño. El uso de estaciones de bombeo se calculan con la ecuación general de conservación de la energía (ecuación de Bernoulli), podemos apreciar que, si en la ecuación la expresión de la izquierda es siempre menor, entonces hará falta energía hidráulica. Para poder solucionar la desigualdad de la ecuación, se agrega un aporte hidráulico contribuido por una o más bombas (Hb),
Existen varias formas de caracterizar las estaciones de bombeo, por su funcionalidad (abastecimiento, aguas residuales, inundaciones), configuración (inundadas o de cámara seca), tipos de bomba y caudal o dependiendo al sistema en que se integran.
El diseño de una estación de bombeo puede considerar un gran número de criterios, deben ser confiables, económicos, adaptables, versátiles y seguros.
Confiabilidad: La falla de servicio de estas instalaciones suele manifestarse de forma grave, tanto para la instalación como a los usuarios, como lo demuestra la rotura de tubería en Benalmádena, España. Por ende, los equipos seleccionados deben ser robustos y de construcción sencilla, ajustados a los requerimientos del servicio.
Economía: Dado que la operatividad debe ser continua, se necesitará equipos de bombeo de mejor rendimiento, implicando disminuir la potencia requerida, bajando en consecuencia la potencia eléctrica instalada. Por tanto, se deberá estudiar la eficiencia y consumo eléctrico de los equipos a instalar, teniendo como parámetros, la demanda de servicio, presión, entre otros.
Adaptabilidad: Los cambios a través del tiempo pueden traer mayores demandas al sistema, por ello, se debe diseñar en base a las condiciones de funcionamiento (generalmente caudal) en condiciones extremas (ejem.: crecimiento poblacional de proyección a 20 años) dependiendo de la vida útil del proyecto, creando un método modular que permita ampliaciones a cambios futuros.
Versatilidad: El sistema debe adaptarse a las demandas en horas punta y valle, aportando los caudales y condiciones necesarias para un funcionamiento óptimo. Aunque se puede confundir con el punto anterior, este no se refiere a un acontecimiento futuro, sino a la flexibilidad en la operatividad.
Seguridad: Este punto está muy ligado a la confiabilidad, su principal criterio es de capacidad de reserva hacia ciertos acontecimientos, como lo es la mantención de los equipos. Las eventualidades no programadas pueden causar bajas en la calidad del servicio, por lo que las instalaciones deberán contar con un sistema de reserva.
Los componentes estructurales principales de una estación de bombeo son:
Sala de bombeo
Calderines
Equipo de bombeo
Grupo electrógeno y fuerza motriz
Tuberías de Succión e impulsión
Válvulas de regulación, protección y control
Equipos de cloración
Interruptores de nivel de agua
Tableros de protección, control eléctrico y monitoreo
Sistemas de ventilación
Área para el personal de protección
Cerco de protección
Fenómenos de golpe de Ariete y Cavitación
Un aspecto relevante por considerar en el diseño de los sistemas de bombeo, son el golpe ariete y la cavitación, que son las principales causantes de roturas de tuberías y averías en instalaciones hidráulicas.
El golpe de ariete se presenta tras el cierre brusco de una válvula o un violento paro del motor, produce que la velocidad del fluido en una tubería de cierta longitud disminuya hasta ser nula, la energía que trae consigo se libera expandiendo y contrayendo al fluido (considerando al fluido compresible), generando una onda de choque que viaja a grandes velocidades a través del conducto. Inicia desde la válvula hasta la instalación de bombeo incluyendo los estanques, en casos de estar instalados los sistemas de seguridad (chimenea de equilibrio) la energía de la onda se libera y se devuelve con menor intensidad, en caso contrario, suelen fallar los elementos más vulnerables (conexiones, válvulas, tuberías, etc.).
En el fenómeno de cavitación, relacionado con la temperatura y presión. Se alcanza la presión de vapor, transformando parte del fluido líquido en burbujas de aire, que viajan a través del conducto de zonas de menor presión a mayor presión. Las burbujas implosionan volviendo instantáneamente a estado líquido, produciendo la liberación de gran energía en ondas de choque capaz de dañar superficies sólidas. Los elementos más afectados por este fenómeno son las aspas o hélices de las bombas y en algunos elementos que cambien la sección del fluido de forma brusca.
Tipos de Bombas
BOMBAS VOLUMÉTRICAS O DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO: Guían el fluido a lo largo de todo el recorrido comprendido entre el elemento impulsor y la carcasa, mediante volúmenes confinados. De esta manera el fluido contenido en su interior pasa de una cámara de mayor volumen (que se encuentra en la parte de succión de la bomba) y a medida que se acerca al punto de salida (impulsión) el volumen de la cámara se reduce, aumentando la presión de este. Las características de estas bombas son que pueden lograr altas presiones, pero un limitado caudal.
a) Alternativas o de émbolo: Estas bombas poseen un émbolo o pistón, que con su movimiento de vaivén succionan el agua, aumentando la presión. Su uso es principalmente para pequeñas bombas de mano, bombas de trasiego, etc.
b) Rotoestáticas: Se componen de anillos rotativos que modifican su volumen, con el fin de mover el agua y sacarla a una cierta presión. El mismo sistema se usa en medidores volumétricos.
BOMBAS ROTODINÁMICAS (TURBOMÁQUINA): Este tipo de bombas están basadas en el movimiento de un rodete, impulsor o hélice, dado que en estos no existen cambios de volumen, generan la presión y el caudal del fluido por medio de la velocidad con la que trabaja la máquina. Sus principales ventajas aluden a su bajo costo de inversión y mantenimiento, además producen un alto caudal. Por el contrario, las presiones generadas por estas bombas no son tan altas.
a) Bombas radiales: Dentro de estas están las de centrífuga de eje horizontal y vertical, su modo de operación está basado en la velocidad de rotación que ejerce la máquina por medio de un elemento móvil, llamado rodete o impulsor, produciendo una fuerza centrífuga, permitiendo que las partículas de agua (fluido) adquieran velocidad y presión. Adecuado para presiones medias-altas y caudales moderados.
b) Bombas axiales: Están formadas por paletas (hélice), y se basa en que el giro de estas produce una fuerza superficial que transmite al fluido para que se mueva, pero no generan demasiada altura. Es utilizada para presiones bajas y altos caudales.
c) Bombas semi-axiales: Estas se basan en la combinación de las bombas radiales y axiales (centrífugas y superficiales). Su aplicación es para altos caudales y poca altura.
Curvas Características
Las curvas características de las bombas representan su funcionamiento, en donde se trazan en función del caudal y en una velocidad de giro constante.
CURVA DE ALTURA V/S CAUDAL: Llamada también como curva característica, donde en ella se representan todas las combinaciones de caudal (Q) y presión (H), de cierta bomba. La curva teórica se representa por ser una recta. Pero, realmente en una bomba existen perdidas por fricción y choque que hacen que la curva adopte una forma parabólica.
CURVA DE POTENCIA EN FUNCIÓN DEL CAUDAL: Aquella que muestra la potencia eléctrica según el caudal entregado, en esta se diferencian 3 tipos de potencias, la potencia eléctrica absorbida por el sistema, la potencia de salida del motor (la del eje) y la potencia hidráulica.
CURVA DE RENDIMIENTO EN FUNCIÓN DEL CAUDAL: Relacionada con el rendimiento hidráulico, determinado por factores como diseño del impulsor y difusor, carcasa de la bomba y la rugosidad de la superficie.
Punto de Funcionamiento
El punto de funcionamiento es determinado por el caudal y altura que proporcionan las bombas utilizadas, en función de sus características propias y de la red de abastecimiento a suministrar. Estas características dependen de la curva característica y de rendimiento para las máquinas hidráulicas, y también de la elevación y pérdidas que deba sufrir flujo de agua en la red, denominada curva resistente.
Para obtener el punto de funcionamiento se debe interceptar la curva motriz con la resistente. La curva motriz es determinada por el fabricante, en caso de no existir, se puede tomar una serie de puntos e interpolarla. Por otro lado, la curva resistente es propia de la instalación, su forma es semejante a una parábola creciente, iniciando a la altura geométrica de elevación y su característica resistente (perdidas de carga).
(autor: Roberto Silva Urrutia)
Leyes de Semejanza
En el diseño de las turbomáquinas para centrales de agua potable suele requerirse gran potencia, confeccionar una de estas no suele ser muy económico y además el riesgo de obtener un diseño defectuoso generalmente es alto, por tanto, la mejor forma de minimizar cualquier tipo de riesgo es diseñarlas y construirlas a partir de piezas homólogas a través de prototipos de una escala reducida.
Las leyes de semejanza tienen muchas aplicaciones en relación con el diseño de los sistemas de bombeo, teniendo como objetivo establecer una relación con el prototipo y la bomba a diseñar, prediciendo su comportamiento a distintas o constantes velocidades de giro que con otros métodos tenderían a ser más tediosos. Existen tres tipos de semejanza, que engloban la semejanza absoluta.
I) Semejanza geométrica: el modelo debe ser geométricamente semejante al prototipo.
II) Semejanza cinemática: se refiere a que en ciertos puntos homólogos de las bombas estos tienen resultados semejantes, principalmente con relación a vectores de velocidades.
III) Semejanza dinámica: corroborada por el número de Reynolds que debieran coincidir tanto en el modelo como en el prototipo.
Patrones de Bombeo
Generalmente en los patrones de bombeo, para un mejor funcionamiento referido a calidad del servicio, constan de un conjunto de bombas dispuestas en cierto patrón, con tal de lograr un mayor caudal y/o presión del flujo que circula dentro de ellas. Para esto, se identifican dos formas de funcionamiento.
BOMBEO EN PARALELO: Es la combinación de dos o más bombas que captan y transportan agua cada una individualmente y convergen en un punto posterior, con tal de aumentar el caudal del sistema, no así la presión, que se mantiene. Para este sistema no es necesario que las bombas sean idénticas, pero se recomienda que sean de similares características, para que ninguna trabaje fuera de su rango de funcionamiento según curva característica. Además, para lograr un óptimo trabajo, no todas deben operar al mismo tiempo, pues, debe existir al menos una cumpla el rol de repuesto en casos de imprevistos e inactividad durante el mantenimiento y reparación. Este sistema, se utiliza donde las demandas de caudal son demasiado altas para que una bomba por si sola pueda satisfacer dicho caudal y en el caso que exista tal bomba el costo se elevaría en comparación al uso de este método.
BOMBEO EN SERIE: En este sistema las bombas están conectadas una detrás de la otra. Al estar posicionado de esta forma se logran proporcionar mayores cargas de las que puedan generar las bombas por separado. Por tanto, las alturas de las bombas individuales se suman, mientras que el caudal sigue siendo el mismo. Este sistema es usado principalmente cuando se requieren presiones altas que una bomba por sí sola no puede alcanzar (o tiene un costo demasiado elevado), también en el caso de que las tuberías sean extensas (donde se sabe que existen pérdidas de presión).
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