Guía para el informe de Laboratorio Bombas Centrifugas

1. OPERACIONES UNITARIAS 1
PROF. PEDRO VARGAS
UNEFM
DPTO. ENERGÉTICA
Disponible en: www.operaciones1.wordpress.com
BOMBAS CENTRIFUGAS
1. Introducción
Las bombas son dispositivos utilizados para que impulsen
líquidos a través de sistemas de tuberías. Para ello deben
movilizar la cantidad de caudal requerido además de
vencer la carga que el sistema le impone.
Partes de la bomba
La bomba está constituida a grandes rasgos por el motor,
Este dispositivo genera el movimiento partiendo de una
fuente de energía que puede ser un combustible o alguna
toma de electricidad directa. El movimiento generado en
el motor es transmitido al impulsor por medio del eje, el
cual hace girar al impulsor. Este dispositivo se encarga de
suministrarle la energía que viene desde el motor por el
eje al fluido, impartiéndole un giro por el cual se le
entrega energía al fluido en forma de energía cinética.
Motor
Eje
Voluta
Descarga
Figura 1. Bomba centrifuga.
Figura 2. Impulsor de una bomba centrifuga.
Voluta: En este dispositivo, el fluido con alta energía
cinética por efecto del movimiento a la salida del
impulsor es transformada en energía de presión.
Figura 3. Voluta.
2. Clasificación
De acuerdo a la dirección del flujo respecto al impulsor,
las bombas pueden ser clasificadas en bombas de Flujo
radial, mezclado o axial. Esta clasificación puede ser
realizada en función de un parámetro muy importante
como lo constituye la velocidad específica de la bomba en
las condiciones BEP.
4
/
3
s
h
Q
N
N 
Donde:
Q[GPM] Caudal manejado por la bomba.
N[RPM] Velocidad de giro del impulsor.
h[pies] Cabezal desarrollado por la bomba.
500‐5000 RPM Flujo Radial
5000‐10000 RPM Flujo mezclado
10000‐15000 RPM Flujo axial
Otro parámetro similar es lo que se conoce como la
velocidad específica de succión. Este parámetro da
información acerca de la posibilidad de cavitar de la
bomba.
  4
/
3
R
s
NPSH
Q
N
N 

2. La cavitación es la formación de burbujas en el seno de la
fase liquida, por efecto de bajos valores de presión a la
succión de la bomba. Se recomienda NS<8500 para evitar
cavitación.
Velocidad especifica
Flujo Axial
Flujo mezclado
Radial Vane Francis Vane
Figura 4. Clasificación de bombas centrifugas de acuerdo a la dirección del flujo.
Parámetros operacionales
Cabezal total: es la energía entregada por la bomba al
fluido, escrita en longitud de líquido, y puede ser
estimada mediante la siguiente relación.
 


 S
D
B
P
P
h
Donde:
PD: Presión a la descarga de la bomba [Pa]
PD: Presión a la succión de la bomba [Pa]
 : Peso especifico del fluido [N/m3
]
Cuando la energía entregada por la bomba al fluido es
expresada en unidades de potencia, el parámetro es
conocido como Potencia hidráulica (Ph) de la bomba

 Q
h
P B
h
Donde
Q: Caudal manejado por la bomba [m3
/s]
Tomando en consideración que hay pérdidas de energía
en el interior de la bomba por efecto de la fricción y la
turbulencia, en la práctica se requiere más potencia para
impulsar la bomba que la que efectivamente se le
transmite al fluido. Por esta razón, la potencia que recibe
la bomba, es conocida como Potencia al freno (BHP).
%
100
x
P
P
BHP
h


Cabezal neto de succión disponible (NPSHR)
Este parámetro, representa la energía con que llega el
fluido a la succión de la bomba. Es deseable que a la
succión de la bomba la energía no sea demasiado baja,
específicamente el termino de presión, ya que si esto
sucede, parte del liquido que es bombeado, puede
evaporarse, lo que formaría burbujas que pueden afectar
enormemente el desempeño de la bomba.
 


 V
S
R
P
P
NPSH
Donde
PS: Presión a la succión de la bomba [Pa]
PV: Presión de vapor del liquido [Pa]
 : Peso especifico del fluido [N/m3
]
Para evitar esto, se debe garantizar, que el NPSHD>
NPSHR. Dependiendo de lo crítico del proceso se puede
especificar que esta desigualdad sea desde un 10 hasta
un 100%.
NPSHD> 1,10 NPSHR
Leyes de afinidad
Cuando una bomba cambia algunos de sus parámetros de
operación, se plantea la interrogante de cómo se
comportaran o impactara e cambio sobre el resto de las
variables.
Para este caso, existen relaciones matemáticas que nos
ayudan a predecir la forma como impactaran los cambios
en una variable operacional sobre el resto. Estas
relaciones matemáticas, son conocidas como Leyes de
Afinidad.
De acuerdo a la variable que se modifica, pueden ser
clasificadas como: cuando la velocidad varía
2
1
2
1
N
N
Q
Q

2
2
1
2
a
1
a
N
N
h
h









3
2
1
2
a
1
a
N
N
P
P









Cuando el diámetro del impulsor varía

3. 2
1
2
1
D
D
Q
Q

2
2
1
2
a
1
a
D
D
h
h









3
2
1
2
a
1
a
D
D
P
P









Donde
1: Condiciones de operación en el caso 1.
2: Condiciones de operación en el caso 2.
ha: Cabezal desarrollado por la bomba.
Pa1: Potencia consumida por la bomba.
D: Diámetro del impulsor de la bomba.
N: Velocidad de rotación del impulsor.
Q: Caudal impulsado por la bomba.
La velocidad permanece casi constante para cambios en
la velocidad y cuando los cambios en el diámetro del
impulsor son pequeños.
Curvas características de las bombas
Las curvas características de las bombas, representan el
comportamiento de los parámetros de las bombas para el
rango de caudales que estas manejen (Figura 5).
Carga total (pies)
Capacidad (GPM)
Potencia (Hp)
Carga
Eficiencia
Figura 5. Curvas características de bombas.
Curva cabezal vs capacidad
Es la primera de las curvas características que se estudian.
Muestra el comportamiento del cabezal desarrollado por
la bomba a medida que se varía el caudal manejado. En
esta curva característica, a medida que se incrementa el
caudal manejado por la bomba, disminuye el cabezal
desarrollado por esta (Figura 6).
La forma como cae el cabezal a medida que aumenta el
caudal depende en particular de cada bomba, existen
unas bombas de pendientes pronunciadas, en las que
para pequeñas variaciones de caudal reflejan altas
variaciones en el cabezal desarrollado, y existen curvas de
comportamiento más estable.
Carga total (pies)
Capacidad de la bomba (GPM)
Figura 6. Curva cabezal vs capacidad
Con frecuencia para una misma bomba con diferentes
tamaños de impulsor, las curvas, son mostradas en una
misma figura (Figura 7). Se puede observar como a
medida que el impulsor tiene un diámetro mayor, la
misma bomba puede desarrollar un cabezal más alto a las
mismas condiciones de caudal.
Carga total (pies)
Capacidad
Figura 7. Curva cabezal vs capacidad para diferentes
diámetros de impulsor
Curvas de eficiencia
Las curvas de eficiencia muestran el comportamiento de
la eficiencia de la bomba en una región determinada
(Figura 8). Es deseable que se opere en la región de los
puntos de mejor eficiencia de la bomba
Carga total (pies)
Capacidad (GPM)
Figura 8. Curvas de eficiencias para las bombas

4. Curvas de potencia
Capacidad (GPM)
Carga total (pies)
Figura 9. Curvas de potencias para las bombas
Curvas de NPSHR
En estas curvas se especifican los requerimientos de la
bomba relativos a la energía necesaria del fluido a la
succión de la bomba para evitar cavitación.
Capacidad (GPM)
Carga total (pies)
Figura 9. Curvas de NPSHR para las bombas
Con frecuencia, todas las figuras mostradas
anteriormente, son presentadas en una figura única, de la
siguiente forma:
Capacidad (GPM)
Carga total (pies)
Figura 10. Curva característica de una bomba
Bombas en serie y paralelo
Cuando dos bombas o más operan de manera simultánea
el nuevo sistema, tiene una característica de operación
que tiene una relación directa con las características
individuales de cada bomba y con la forma como estén
dispuestas.
El primer arreglo que estudiaremos es un sistema de
bombas en serie. Para este arreglo la descarga de una
bomba se conecta a la succión de la otra. Por esta razón
ambas bombas manejan el mismo caudal.
Figura 12. Sistema de bombas en serie
Dado que las bombas están una, a continuación de la
otra, el cabezal total desarrollado por el arreglo es la
suma del cabezal que incrementa cada bomba, lo cual es
mostrado en la figura 13.
2
B
1
B
T h
h
h 


5. 2
B
1
B
T Q
Q
Q 

Carga total (pies)
Capacidad
Figura 13. Curva de operación de bombas en serie
El otro sistema que comúnmente se utiliza, es el arreglo
de bombas en paralelo (Figura 14). En este caso el caudal
total manejado por el sistema, es la contribución de los
caudales individuales de cada bomba. Y dado que tienen
succión y descargas unidas, necesariamente, el cabezal
desarrollado por cada una de las bombas, debe ser igual.
2
B
1
B
T Q
Q
Q 

2
B
1
B
T h
h
h 

De esta forma, el comportamiento del arreglo como un
sistema, se puede representar mediante la figura 15.
Q1
Q2
QT
QT
Figura 14. Sistema de bombas en paralelo
Carga total (pies)
Capacidad
Figura 15. Curva de operación de bombas en paralelo
Curva del sistema
Supongamos que se quiere determinar los
requerimientos energéticos de una bomba que opera en
un sistema como el mostrado en la figura 16.
Figura 16. Sistema de bombeo.
Para ello se escribe la ecuación de Bernoulli entre los
puntos 1‐4 de sistema.
K
L
2
4
4
4
B
2
1
1
1
h
h
g
2
V
z
P
h
g
2
V
z
P










K
L
B h
h
z
P
h 






El termino hB, despejado del balance de Bernoulli, se
conoce como el cabezal del sistema. Visto desde el punto
de vista del sistema, es el cabezal que este necesita de la
bomba para cumplir con las condiciones especificadas
entre los puntos 1‐4.
De acuerdo al balance de la ecuación de Bernoulli,
encontramos que el cabezal de la bomba obtenido de la
ecuación del sistema, contiene dos contribuciones que
podríamos diferenciar. La primera, que no depende de la
velocidad y el caudal del sistema, y la otra que si depende
de esta.
La contribución que no depende del caudal, se conoce
como cabezal estático, y la que depende del caudal, se
conoce como cabezal friccional. Este último, depende
esencialmente de las pérdidas de energía del sistema, las
cuales se incrementan a medida que sucede lo mismo con
el caudal del sistema (Figura 17).
3 Si el sistema presenta el mismo diámetro de la tubería,
podemos reescribir la expresión para el cabezal del
sistema de la siguiente forma:



























 K
D
L
f
D
L
f
gA
2
Q
z
P
h
Eq
T
2
2
B
T
2
2
B K
gA
2
Q
z
P
h 






6. Caudal (Q)
Cabezal del sistema (h
Bsist
)
Estático
Friccional
Figura 17. Cabezal del sistema.
Donde KT es el coeficiente de resistencia de toda la
tubería con accesorios.






















 K
D
L
f
D
L
f
K
Eq
T
T
Punto de operación del sistema
El punto de operación real, entre la bomba y el sistema,
tendrá lugar en el punto donde se intercepten la curva
cabezal vs caudal de la bomba (curva característica), con
la curva de cabezal del sistema.
Carga total (pies)
Capacidad de la bomba (GPM)
Curva de
la bomba
Curva del
sistema
Punto de
operación