Fluidos de una bomba

Fluidos de una bomba


INTRODUCCIÓN DEL TEMA 

El desplazamiento de fluidos, líquidos o gases (en ocasiones incluso con sólidos en suspensión) se desarrolla normalmente en sistemas de flujo, más o menos largos y complejos que implican conducciones rectas, generalmente cilíndricas de diámetros variados, enlazadas por uniones convenientes, curvaturas, codos, válvulas, etc. A través de estos sistemas el fluido sólo fluye espontáneamente si su energía total disminuye en la dirección del flujo.

 De no ser así, habrá que comunicarle energía desde el exterior mediante dispositivos tales como bombas, en el caso de líquidos, o compresores, soplantes o ventiladores, en el caso de gases. Tal aporte de energía puede invertirse en aumentar la velocidad, la altura o la presión del fluido. 

La cuantía de la energía que deberá suministrarse a un fluido para conseguir su desplazamiento por un sistema determinado dependerá de su caudal, de la altura a que deba elevarse, de la presión con que se requiera al final de su recorrido, de las longitudes y diámetros de los tramos rectos de conducción, de los accidentes (ensanchamientos, estrechamientos, curvaturas válvulas, codos, etc.) intercalados entre ellos y de sus propiedades físicas, fundamentalmente su viscosidad y su densidad. 


La ecuación de Bernoulli: 

aplicada a los extremos del sistema de que se trate permitirá el cálculo de la energía (W) que debe comunicarse a la unidad de masa del fluido circulante. Con ella y el caudal másico de flujo que se desee (m) se obtiene la potencia teórica necesaria para el flujo deseado: 

 P = mw(W)

IMPULSIÓN DE LÍQUIDOS

Como se vio en el Tema 1, en Ingeniería Química normalmente el balance de energía mecánica entre dos puntos se expresa mediante la ecuación de Bernoulli en unidades de energía por unidad de masa (J/kg). Sin embargo, en Ingeniería Civil la ecuación de Bernoulli suele expresarse en unidades de energía por unidad de peso, teniendo el mismo significado físico. De esta forma la ecuación de Bernoulli se obtiene dividiendo ambos términos por la aceleración de la gravedad g, teniendo unidades de J/N, que dimensionalmente es equivalente a longitud (m). De esta forma, los distintos sumandos de la ecuación de Bernoulli se les denominan cargas o alturas. Considerando que los líquidos son incompresibles, la ecuación resultante queda de la forma: 

donde H = W/g y se le denomina altura proporcionada por la bomba, mientras que el término SF/g se le suele denominar pérdida de carga. Dado que la circulación de líquidos es mucho más importante en áreas de Ingeniería Civil (por ejemplo, redes distribución de aguas potables, riego y residuales), la bibliografía y los fabricantes de bombas utilizan exclusivamente la ecuación de Bernoulli expresada en m (ec. 2.1), por lo que en este tema los balances de energía mecánica se abordarán generalmente de esta forma. Previamente a la descripción de los distintos equipos impulsores de líquidos, se verán algunas consideraciones. 

Cargas en el sistema

Un sistema típico en el que se bombea un líquido es el indicado en la Figura:

Carga de aspiración o succión 

Es el valor de la energía que posee el fluido al llegar a la boca de succión de la bomba hidráulica, expresada en metros de líquido. Se define como la suma de la carga de presión, la carga cinética y la altura geográfica o cota en la boca de succión de la bomba, de acuerdo con la figura anterior: 

Carga de impulsión

 Es el valor de la energía que posee el fluido justo en el punto de salida de la bomba hidráulica, expresada en metros de líquido. Se define como la suma de la carga de presión, la carga cinética y la altura geométrica en la boca de impulsión de la bomba. En nuestro esquema:

Si se planteara un balance de energía mecánica entre 1 y 2, el parámetro definido como carga total del sistema corresponde a la energía necesaria por unidad de peso para que circule el líquido de 1 a 2, por lo que esta carga corresponde a la energía requerida por una bomba para impulsar el fluido.

Punto de colocación de una bomba

Supongamos el ejemplo de la figura 2.1, donde un líquido es bombeado desde una altura z1 a otra superior z2, pero en este caso supongamos que la conducción es siempre ascendente. En la figura 2.3 se ha representado el diagrama de alturas o cargas para este sistema, representando en este caso presiones absolutas.

Diagrama de cargas de un sistema de impulsión ascendente.

La línea a trazos que va desde 1 a 3 es la línea de alturas geográficas, de tal manera que z1 < z3 = z4 < z2. La bomba por lo tanto está más elevada que el depósito en el punto 1. La energía total en el punto 1 corresponde a la suma de la carga potencial y la carga de presión, que es la atmosférica. Como existen pérdidas por fricción, la altura total en 3 habrá de ser inferior que en 1. Dado que en 3 la cota es superior que en 1 y que el fluido tiene una velocidad, para cumplirse el balance de energía mecánica, la presión en 3 habrá de ser inferior a la atmosférica, por lo que se habrá creado un vacío en el punto de succión de la bomba. 

Si la presión en 3 se hace igual o inferior a la presión de vapor del líquido impulsado, el líquido hervirá, apareciendo burbujas de gas que producen vibraciones y ruido en las conducciones que, además de hacer imposible la impulsión del mismo, puede llegar a producir daños serios y roturas en las conducciones. A este fenómeno se le denomina cavitación. Por tanto, la colocación de la bomba en un sistema de impulsión de líquidos habrá de hacerse en un punto tal que la presión a su entrada sea superior a la presión de vapor.

De aquí que el consumo real de energía es bastante superior al que se ha deducido de la ecuación anterior (al que se denomina "teórico"). Para calcular la potencia real que se va a consumir es necesario conocer el rendimiento total de la bomba y el del motor eléctrico que la impulsa, de forma que se hacen las siguientes definiciones:

Sin embargo, es frecuente que el fabricante de bombas proporcione únicamente el rendimiento de la bomba, ya que no suministra la misma con un motor dado, y se les puede acoplar distintos motores. Lo que no es frecuente es que el fabricante proporcione separadamente el rendimiento mecánico y el rendimiento hidráulico.