Tutorial para diseñar sistemas con bombas centrífugas (1ª PARTE)

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.

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