1.9: Bombas

En este capítulo, examinaremos las bombas que mueven el agua a lo largo de un sistema de distribución de agua.

Resultados de aprendizaje

Después de leer este capítulo, deberías poder:

• Enumerar los diversos tipos de bombas que se encuentran en la industria del agua
• Identificar los diversos componentes de las bombas
• Diferenciar los diversos propósitos de las bombas en la industria del agua

Propósito de una bomba

Sin una bomba, el agua sólo fluiría a través de las fuerzas gravitacionales de la gravedad. Esto estaría bien si la fuente de agua fuera siempre superior a la del usuario. No obstante, sabemos que no es así. Además de que se necesitan bombas para entregar agua a los clientes a diferentes alturas, las bombas se utilizan para “levantar” el agua sobre las montañas para entregarla a las plantas de tratamiento. Las bombas se utilizan para “empujar” el agua a través de los sistemas de tratamiento y para “inyectar” productos químicos en una corriente de agua corriente para fines de tratamiento. Como puede ver, hay muchos propósitos para las bombas en la industria del agua. Este capítulo presentará una variedad de ejemplos donde se utilizan bombas, los diversos tipos de bombas y cómo se utilizan para mantener el flujo de agua en un sistema de distribución. Existen dos tipos principales de bombas, que se utilizan principalmente en la industria del agua; estas son las bombas de desplazamiento positivo y de desplazamiento variable.

Bombas de desplazamiento positivo

Las bombas de desplazamiento positivo “desplazan” el líquido por acción mecánica proporcionando un flujo constante a una velocidad fija, a pesar de los cambios en la presión. Hay dos tipos principales de bombas de desplazamiento positivo: Rotativas y reciprocantes. Las bombas de desplazamiento positivo mueven fluidos atrapando una cantidad fija y desplazando (moviendo) el volumen atrapado en un recipiente como una tubería. Un buen ejemplo de una bomba de desplazamiento positivo utilizada en la industria del agua es para la inyección química como la desinfección con cloro. A continuación se muestra una imagen de una bomba de desplazamiento positivo tomando un químico líquido de un contenedor y bombeándolo a una tubería.

Las bombas de desplazamiento positivo se utilizan comúnmente para la inyección de productos químicos debido a su capacidad para operar contra una variedad de presiones de descarga mientras mantienen una velocidad dada constante. Esto permite una dosificación química consistente. Una de las principales desventajas de las bombas de desplazamiento positivo es que no tienen un cabezal de cierre. Por lo tanto, si una bomba de desplazamiento positivo opera contra una válvula cerrada, hará que la línea de descarga explote y/o cause daños a la bomba. Las bombas de desplazamiento positivo incluyen engranajes, lóbulo, peristáltica, tornillo, pistón y rotativas.

Bombas de desplazamiento variable

Las bombas de desplazamiento variable entregan el mismo volumen o flujo de agua contra cualquier presión de carga dentro de la capacidad operativa. Los tipos típicos son las bombas de pistón (reciprocantes) y las bombas de desplazamiento de tornillo o compresión (diafragma). Existen varios tipos de bombas de desplazamiento variable e incluyen; jet, turbina y centrífugas. Los más comunes en la industria del agua son turbinas y centrífugas.

Bombas Centrífugas

Las bombas centrífugas son algunos de los tipos de bombas más comunes que se utilizan en la industria del agua. Convierten la energía cinética rotacional en energía hidrodinámica. Los motores eléctricos proporcionan esta energía rotacional. Las bombas centrífugas elevan el agua por una fuerza centrífuga, la cual es creada por una rueda denominada impulsor. Este impulsor gira dentro de una carcasa hermética. El agua ingresa a la bomba en el centro del impulsor denominado ojo. El impulsor arroja el agua hacia afuera hacia la pared interior de la carcasa por la fuerza centrífuga resultante de la revolución del impulsor. Luego, el agua pasa a través de la carcasa y emerge en el punto de descarga bajo presión. Hay dos tipos principales de carcasas para bombas centrífugas, voluta y difusor.

• Carcasa de voluta: las volutas están diseñadas para utilizar la velocidad de entrada del líquido que ingresa al impulsor y convierte esta velocidad en presión. El impulsor está alojado en una caja en forma de espiral y ubicado desplazado del centro de esta carcasa. Esto permite que la presión se acumule a medida que el impulsor gira en sentido antihorario y la distancia entre la voluta y el impulsor aumenta gradualmente. Estos son típicamente diseños de una sola etapa y se utilizan para aplicaciones de gran capacidad y baja cabeza.

Figura\(\PageIndex{1}\): La imagen es de dominio público

El impulsor de una bomba centrífuga es de diseño abierto, semiabierto o cerrado. Los impulsores abiertos se utilizan generalmente para bombear agua cruda. Esto se debe a que el agua cruda puede llevar consigo algunos sólidos, lo que dañaría los otros diseños del impulsor. Los impulsores semiabiertos pueden bombear líquidos con algunos sólidos, pero no tanto como el diseño abierto. Los impulsores cerrados generalmente bombean aguas tratadas terminadas y proporcionan un área controlada para canalizar el agua a través del impulsor.

• Carcasa del difusor: una carcasa de difusor típica tiene muchas paletas para generar presión en el punto donde el borde de la carcasa se acerca al borde del impulsor. Los diseños de difusor son generalmente más compactos en comparación con los diseños de volutas.

Hay cinco (5) tipos distintos de bombas centrífugas en la industria del agua: turbina (difusor), voluta, flujo axial, flujo radial y flujo mixto.

• Turbina: estos tipos de bombas centrífugas se utilizan con mayor frecuencia en las operaciones de bombas de pozo. El impulsor está rodeado por paletas difusoras, las cuales proporcionan pasajes que se agrandan gradualmente en los que la velocidad del agua que sale del impulsor se reduce gradualmente, transformando así la cabeza de velocidad en cabeza de presión. Las bombas de turbina a menudo vienen en múltiples etapas. Las etapas se atornillan juntas para formar un conjunto de tazón de bomba. La función de cada etapa es agregar cabezal de presión. El volumen levantado y la eficiencia es casi idéntica en cada etapa.

Figura\(\PageIndex{2}\): La imagen del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos es de dominio público

• Voluta — Estos tipos de bombas se discutieron anteriormente y se utilizan en instalaciones de alto flujo y baja presión y suelen ser bombas de una sola etapa. Están cerca o de acoplamiento largo. Las bombas de acoplamiento cerrado tienen el impulsor montado directamente en el eje del motor. Un acoplamiento largo (o montado en el marco) tiene una bomba con cojinetes de motor separados y está conectado al motor por un acoplamiento.
• Flujo Axial — Estos tipos de bombas están en línea y funcionan en un plano vertical en relación con el agua. Las bombas de flujo axial ofrecen caudales muy altos y cantidades muy bajas de carga de presión.
• Flujo Radial — Este tipo de bomba centrífuga descarga el fluido radialmente (en ángulo recto con el eje de la bomba). Flujo radial significa que la bomba opera en un plano horizontal a la dirección del flujo.
• Flujo mixto: una bomba de flujo mixto es un cruce entre una bomba de flujo axial y una bomba de flujo radial. El impulsor se asienta dentro de la tubería y gira, pero el mecanismo de giro es esencialmente diagonal. La fuerza centrífuga mueve el agua mientras acelera desde la dirección axial para el impulsor.

Componentes de la bomba

Una bomba se compone de varios componentes diferentes. La siguiente lista compone los principales componentes mecánicos de una bomba centrífuga. Se discutirá cada ítem.

• Carcasa
• Bombas de succión simple
• Bombas de Doble Succión
• Impulsor
• Anillos de desgaste
• Eje
• Mangas del Eje
• Anillos de Empaque
• Anillos para Farol
• Sellos Mecánicos
• Rodamientos
• Acoplamientos

Algunos de los componentes anteriores han sido previamente discutidos, por lo que solo se volverán a mencionar brevemente a continuación.

Carcasa

Las carcasas de las bombas están diseñadas para retener la presión y sellar el interior de una bomba para evitar fugas. En las bombas centrífugas (como se explicó anteriormente) la carcasa rodea al rotor de la bomba transmitiendo energía al fluido por medio de un impulsor, el cual está montado sobre un eje giratorio. En las bombas de desplazamiento positivo, la carcasa rodea los elementos de desplazamiento rotativo o reciprocante.

Todas las carcasas tienen boquillas de entrada y salida, que dirigen el flujo dentro y fuera de la bomba. Las boquillas de entrada se conocen como boquillas de succión y las salidas se denominan boquillas de descarga.

Bombas de succión simple y doble succión

Muchas bombas utilizadas en la industria del agua son bombas de succión simple. En las bombas de succión simple, el agua ingresa al impulsor desde un extremo y se descarga a través de la carcasa. El fluido se mueve desde el centro del impulsor hasta la región periférica de la bomba. Otro tipo de bomba basada en su succión se denomina bomba de doble succión. En una bomba de doble aspiración, el agua de entrada entra por ambos lados del impulsor. Estos se conocen comúnmente como una bomba horizontal de caja dividida. La carcasa se divide en dos mitades a lo largo de la línea central del eje de la bomba.

Figura\(\PageIndex{3}\): Bomba de succión simple - Imagen de Kaze0010 está licenciada bajo CC BY-SA 3.0

Impulsor

Los impulsores son exclusivos de las bombas centrífugas. Rotan dentro de la carcasa de la bomba transfiriendo energía del motor, que impulsa la bomba al fluido que se bombea. El fluido se acelera hacia afuera desde el centro de la rotación. La porción de entrada abierta de un impulsor a menudo se conoce como el “ojo”. De acuerdo con el matemático y físico suizo Daniel Bernoulli, los impulsores de las bombas se basan en el principio que establece que un aumento en la velocidad del fluido va acompañado de una disminución de la presión o energía potencial (y viceversa) para operar.

Figura\(\PageIndex{4}\): La imagen de Fantagu es de dominio público

Anillos de desgaste

Para que los impulsores giren libremente dentro de una carcasa de bomba, es necesario mantener una pequeña holgura entre la carcasa y el impulsor. Para minimizar el daño al impulsor giratorio, a menudo se une un conjunto de anillos de desgaste al impulsor y/o a la carcasa de la bomba para permitir esta pequeña holgura sin causar desgaste en el impulsor y la carcasa. Estos anillos de desgaste están diseñados para desgastarse y ser reemplazados mediante un mantenimiento adecuado.

Mangas de Eje y Eje

Los impulsores están montados en una varilla de metal comúnmente hecha de una aleación de níquel o acero inoxidable denominado eje. Los ejes transmiten la energía giratoria al impulsor. Los ejes pueden ser sólidos o huecos. Los ejes sólidos están conectados cerca del extremo inferior de un motor, mientras que un eje hueco se extiende a través del eje del motor y se une en la cresta del motor. Los motores de bomba de eje hueco se utilizan más comúnmente para pozos de aguas subterráneas profundas. Se requiere una herramienta especial denominada prensa de eje (o extractor de engranajes) para extraer el impulsor del eje.

Un manguito del eje de la bomba es un tubo hueco, generalmente hecho de metal y se coloca sobre el eje para protegerlo a medida que pasa a través del empaque. Estos tubos metálicos en forma de cilindro protegen el eje de la corrosión y el desgaste y están diseñados para ser reemplazados según sea necesario.

Anillos de Empaque y Caja Relleno vs Sellos Mecánicos

En el punto donde el eje se extiende fuera de la carcasa de la bomba, pueden ocurrir fugas. Para evitar o reducir la cantidad de fugas, se utilizan anillos de empaque o sellos mecánicos. Se pueden usar hasta seis anillos y deben estar escalonados a 90 grados de distancia a partir de las “doce en punto”. El siguiente anillo se instala a las “tres en punto” y así sucesivamente. Los anillos de empaque se instalan en un conjunto llamado prensaestopas. Se pueden usar sellos mecánicos en lugar de anillos de empaque. Son más caros, pero suelen durar más tiempo, permiten daños mínimos o nulos a los manguitos del eje y ofrecen menos mantenimiento. El principal inconveniente de los sellos mecánicos es que cuando fallan, fallan repentinamente y son bastante difíciles de reemplazar. Por el contrario, los anillos de empaque requieren monitoreo y ajuste, pero son mucho más fáciles de reemplazar.

Figura\(\PageIndex{5}\)

La imagen de arriba es un ejemplo de cómo se escalonan los anillos de empaque.

También se colocan en el prensaestopas anillos de farol. Están diseñados para evitar que entre aire en la carcasa de la bomba. El agua de descarga de la bomba se introduce en el anillo y fluye fuera de él a través de una serie de orificios que conducen al lado del eje de la empaquetadura. El agua fluye tanto hacia la succión de la bomba como lejos del prensaestopas que actúa como un sello que evita que el aire entre en la corriente de agua y proporciona lubricación para el empaque.

Rodamientos

Los rodamientos dentro de una carcasa (jaula) propios se utilizan para permitir que el eje haga girar el impulsor con una fricción mínima. El tipo de rodamiento utilizado depende del tipo y tamaño de la bomba. La mayoría de las bombas dentro de la industria del agua tienen rodamientos radiales y de empuje tipo bola. Estos son lubricados con grasa o aceite. Una característica común entre los rodamientos es que generalmente comienzan a hacerse ruidosos antes de que fallen.

Acoplamientos

Cuando una bomba está montada en un bastidor, los ejes de la bomba separados se conectan entre sí mediante un acoplamiento. El acoplamiento transmite el movimiento giratorio del motor al eje de la bomba. Están diseñados e instalados para permitir una ligera desalineación entre la bomba y el motor. Esto permite que el choque del arranque del motor sea absorbido. Existen dos tipos de acoplamientos: flex y mecánicos. La principal diferencia entre los dos es que los acoplamientos flexibles se instalan en seco y no requieren lubricación y los acoplamientos mecánicos requieren lubricación.

Operación de la bomba

Siempre que hay maquinaria con partes móviles, se produce fricción causando un funcionamiento ruidoso y el potencial para el desarrollo de calor. Por lo tanto, la temperatura del motor y la bomba, la vibración, el ruido y otros parámetros deben ser monitoreados. Hay varios sensores que se pueden utilizar, pero la forma más eficiente de monitorear para estas cosas es la observación directa. Si la superficie de una unidad motora está sustancialmente más caliente de lo normal, debe apagarse. Los operadores experimentados de servicios de agua comúnmente también conocen el sonido normal de bombas y motores. Sin embargo, existen detectores de vibraciones, termómetros especiales, indicadores de temperatura y se pueden instalar varios tipos de sensores para monitorear estos parámetros. Si la temperatura, vibración o algún otro factor que se mide está fuera de un rango específico, entonces las alarmas pueden sonar o se pueden enviar señales. En algunos casos, estos sensores pueden apagar estos dispositivos automáticamente.

Cavitación

La velocidad de la bomba es también otro parámetro a monitorear. Se pueden proporcionar interruptores de velocidad o contactos para monitorear y apagar las bombas en ciertos momentos. Bajo ciertas condiciones de velocidad, cuando la presión que actúa sobre el agua cae hasta o por debajo de la presión de vapor del agua, ésta comenzará a vaporizarse. Esto creará bolsas de vapor. A presiones más altas, los bolsillos colapsan y se crea un ruido retumbante. Este ruido retumbante, estallido y crepitante se conoce como cavitación. La cavitación por succión ocurre cuando el cabezal de succión positivo neto disponible para la bomba es menor de lo que se requiere. Bajo estas condiciones, la bomba suena como si estuviera bombeando rocas. Habrá lecturas de presión de alto vacío (succión) ocurrirán en la línea de succión y bajas presiones de descarga con altos flujos en el lado de descarga. Esto puede deberse a varias cosas, que incluyen, una tubería de succión obstruida, una tubería de succión que es demasiado larga, un diámetro de tubería de succión demasiado pequeño, una elevación de succión demasiado alta y una válvula en la línea de succión solo parcialmente abierta. La cavitación de descarga ocurre cuando el cabezal de descarga de la bomba es demasiado alto donde la bomba funciona en o cerca del cierre. Se produce un sonido similar a la cavitación de succión, lo que resulta en lecturas de alta presión de descarga y menores flujos. Condiciones similares causan cavitación de descarga que incluyen, una tubería de descarga obstruida, una tubería de descarga que es demasiado larga o un diámetro demasiado pequeño, la cabeza estática de descarga es demasiado alta o la válvula de la línea de descarga está parcialmente cerrada. Además del ruido creado por la cavitación, los impulsores de la bomba y las superficies de los cuencos pueden deshuesarse. Pueden ocurrir fluctuaciones o reducciones en el rendimiento y el consumo de energía errático también puede ser el resultado de la cavitación.

Evitar la Cavitación

En bombas centrífugas y hélices, la cavitación se puede evitar evitando las siguientes condiciones:

• Evite las cabezas mucho más bajas que la cabeza en la eficiencia máxima de la bomba
• Evite una capacidad mucho mayor que la capacidad en la eficiencia máxima de la bomba
• Evite elevaciones de succión más altas o cabezas positivas más bajas de lo recomendado por el fabricante
• Evite velocidades superiores a las recomendaciones del fabricante
• Evite temperaturas de líquidos superiores a las que el sistema fue diseñado originalmente

El diseño de la bomba es un proceso importante a la hora de seleccionar la bomba correcta para usos operativos específicos. El uso de varios tamaños de bomba es una forma de controlar los caudales y evitar operaciones ineficientes. Los motores de velocidad variable o los accionamientos de bomba son otras formas de controlar el flujo. Las válvulas de descarga también se pueden estrangular (parcialmente cerradas), pero esto puede provocar daños en la válvula u operaciones ineficientes. Sin embargo, este proceso puede ser utilizado en circunstancias específicas. Arrancar y detener las bombas con demasiada frecuencia puede causar un desgaste excesivo y aumentar los costos de energía. Los motores de velocidad variable son una solución para demasiados arranques y paradas de un motor. Las operaciones diarias, las necesidades de almacenamiento y las presiones del sistema deben evaluarse para seleccionar la bomba y el motor correctos.

Las bombas son uno de los componentes más importantes de cualquier sistema de suministro de agua. Traen agua desde las profundidades subterráneas a la superficie y distribuyen agua por todo el sistema de distribución. Se utilizan en plantas de tratamiento para mover el agua a través del proceso de tratamiento. En áreas donde la topografía varía, se utilizan bombas para elevar el agua a estas diversas elevaciones. El bombeo de agua requiere electricidad y esto crea un costo significativo para los servicios públicos de agua. El mayor gasto de los servicios públicos de agua suele ser el costo de bombear agua.

Preguntas de muestra

1. ¿Cuál de las siguientes es una carcasa de bomba?
   1. Venturi
   2. Weir
   3. Voluta
   4. Todo lo anterior
2. ¿Cuál de las siguientes bombas es la bomba más común en la industria del agua?
   1. Pistón
   2. Turbina
   3. Desplazamiento positivo
   4. Centrífuga
3. Un aspecto negativo de los sellos mecánicos es ___________.
   1. Fallan de repente
   2. Son difíciles de ajustar
   3. No duran mucho
   4. Ninguna de las anteriores
4. Los anillos de linterna están diseñados para ___________.
   1. Proporcionar una pequeña cantidad de fugas para enfriar la bomba
   2. Falla cuando la bomba se desgasta
   3. Evitar que entre aire en la carcasa de la bomba
   4. Ninguna de las anteriores
5. Las bombas de succión doble se conocen comúnmente como ___________.
   1. Bombas centrífugas
   2. Bombas de turbina
   3. Doble cara dividida
   4. Caja dividida horizontal