Volvemos nuevamente a tratar el diseño de sistemas con
bombas centrífugas y esta vez nos centramos en explicar con cierto detalle cómo
debemos enfocar el diseño de sistemas con bombas centrífugas.
Según nuestra experiencia diaria estos sistemas suelen estar
mal diseñados y ello supone sobre todo
un aumento en los consumos energéticos del usuario. En este tutorial vamos a
centrarnos en exponer las ideas fundamentales que ayudarán al ingeniero a
diseñar el sistema correcto, y como siempre pondremos nuestro mayor énfasis en
el ahorro energético que podremos conseguir optimizando el sistema.
Tipos de sistemas de bombeo
Hay muchos tipos de sistemas de bombas centrífugas. En la
siguiente figura mostramos un sistema de bombeo industrial típico. Hay muchas
variaciones en este diseño incluyendo los equipos que pueden añadirse a estos
sistemas. Una bomba es sólo un componente de un proceso aunque es vital. El
papel de la bomba es proporcionar suficiente presión para mover el fluido a
través del sistema al caudal deseado.
Presión, fricción y caudal
La presión, fricción y caudal son tres importantes
características de un sistema de bombeo. La presión es la fuerza de impulsión
responsable del movimiento del fluido. La fricción es la fuerza que ralentiza
las partículas del fluido. El caudal es la cantidad de volumen que se desplaza
por unidad de tiempo. Las unidades más comunes para medir el caudal son metros
cúbicos por hora (m3/h), litros por segundo (l/s) y galones por minuto (gpm).
La presión a menudo se expresa en libras por pulgada
cuadrada (psi) en el sistema imperial y en kilopascales (kPa) en el sistema
métrico. También se utilizan bares, atmósferas y kg/cm2. Un cierto
lío en conversión de unidades pues cada fabricante nos da las suyas propias,
aunque actualmente es fácil ir haciendo las transformaciones. En el sistema
métrico, la unidad kPa es una escala de medición de presión absoluta y no hay
kPag, pero muchas personas usan el kPa como medida relativa a la atmósfera
local y no se molestan en especificar esto.
También es frecuente el uso del término pérdida de presión o
caída de presión, que se refiere a la disminución de la presión debido a la
fricción. En una tubería que está al mismo nivel la presión decrece debido a la
pérdida de presión.
Como ejemplo del uso de unidades de presión y caudal, la
presión disponible en el sistema de agua doméstica varía en gran medida con
respecto a la planta de tratamiento de agua. Puede variar entre 30 y 70 psi o
más. La siguiente tabla da el caudal esperado que podemos obtener para
diferentes tamaños de tubería asumiendo que la tubería se mantiene al mismo
nivel que las conexiones al suministro de presión de agua principal y la
longitud es de unos 30 m.
La presión proporciona la fuerza de impulsión necesaria para
superar la diferencia de fricción y elevación. Esto es responsable para
impulsar el fluido a través del sistema. La presión se incrementa cuando las
partículas del fluido son forzadas a acercarse entre sí.
Cuando los fluidos se mueven deben superar la fricción, que
puede ser significativa en tuberías largas. La fricción puede ser también
importante en tuberías pequeñas que tienen un caudal alto y pequeño diámetro.
En los fluidos, la fricción ocurre entre capas de fluidos
que están desplazándose a diferentes velocidades dentro de la tubería. Hay una
tendencia natural para que la velocidad del fluido sea más alta en el centro de
la tubería que cerca de las paredes de la tubería. La fricción también será más
alta en fluidos viscosos que con partículas suspendidas.
La cantidad de energía requerida para superar la energía de
fricción total dentro del sistema tiene que ser suministrado por la bomba si
deseamos alcanzar el caudal requerido. En sistemas industriales, la fricción no
es normalmente una gran parte de la salida del sistema de bombeo. Para sistemas
típicos, es alrededor del 25 % del total. Sin embargo todos los sistemas de
bombas son diferentes, en algunos sistemas la energía de fricción puede
representar el 100 % de la energía de la bomba. Millones de sistemas de bombeo
en todo el mundo sufren este problema. En los sistemas domésticos, por ejemplo,
quizás hasta el 50 % del total de la energía se consume como consecuencia de la
fricción.
Otra causa de la fricción son los accesorios (codos, T, Y,
etc) requeridos para conseguir que el fluido vaya del punto A al B. Cada uno
tiene un efecto particular en el chorro del fluido. Por ejemplo en el caso de
un codo, las partículas del fluido que están más cerca del radio interior del
codo forman vórtices que consumen energía. Esta energía es pequeña en un codo
pero si tenemos varios codos y otros accesorios las pérdidas totales pueden ser
significativas. Generalmente hablando estas pérdidas raramente suponen más del
30 % de la fricción total debido a la longitud de la tubería total.
Ver 2ª PARTE
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