DE-03-BOMBAS Y SISTEMAS DE BOMBEO-2022.pdf

MSc. Guillermo Ruiz, Dimensionamiento
de equipos
1
SISTEMAS DE FLUJO DE FLUIDOS:
BOMBAS Y SISTEMAS DE BOMBEO
Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda”
Especialización de Ingeniería de Procesos
Facilitador: MSc. Guillermo Ruiz
Dimensionamiento de Equipos
Septiembre, 2022

de equipos
2
CONTENIDO
●
Clases y tipos de bombas
●
Características de presentación
●
Requisitos de capacidad de la bomba
●
Requisitos de cabezal de la bomba
●
Bombas centrífugas
●
Características de funcionamiento
●
Requisitos de energía
●
Cavitación y NPSH
●
Leyes de afinidad
●
Curva de resistencia del sistema y operación de bombas
●
Operación en paralelo
●
Operación en serie

de equipos
3
OBJETIVOS DEL MÓDULO
●
Clasificar los sistemas de bombeo de acuerdo a sus categorías y tipos
●
Determinar los parámetros de cálculo de desempeño y capacidad para
bombas
●
Conocer los diferentes esquemas de sistemas de bombeo, medios de
impulsión y desempeño

de equipos
4
BOMBAS
DESPLAZAMIENTO POSITIVO
DINÁMICAS
EFECTO ESPECIAL
ELECTROMAGNÉTICAS
ARIETE HIDRÁULICO
ELEVADORAS DE GAS
CENTRIFUGAS
PERIFÉRICAS
UNA ETAPA / MULTI-ETAPAS
AUTO-CEBANTE/
NO AUTO-CEBANTE
FLUJO RADIAL: IMPULSOR
ABIERTO, IMPUSOR SEMI-
ABIERTO, IMPULSOR CERRADO
FLUJO AXIAL: IMPULSOR
ABIERTO, IMPULSOR
CERRADO
FLUJO MIXTO

de equipos
5
BOMBAS
DINÁMICAS
DESPLAZAMIENTO POSITIVO
ROTATORIAS
RECIPROCANTES
PISTÓN
DIAFRAGMA
ROTOR SIMPLE: ASPAS, PIS-
TÓN, ELEMENTO FLEXIBLE,
TORNILLO
ROTOR MÚLTIPLE: ENGRANA-
JES, LÓBULOS, BALANCINES,
TORNILLOS

de equipos
6
Tipos de bombas
●
Desplazamiento positivo
●
Reciprocantes
- Servicios de baja capacidad / cabezal alto
- Fluidos de alta viscosidad
- Servicios intermitentes
- Servicios de lodos
●
Rotativas
- Fluidos de alta viscosidad
●
Centrífugas
- Servicios de alta capacidad / cabezal bajo a intermedio
- Servicios continuos
- El tipo más común

de equipos
7
●
Capacidad esencialmente constante a velocidad constante independientemente
del ΔP
●
Tipos comunes: pistón, émbolo o diafragma
●
Las partes hidráulicas esenciales son: cilindro, pistón (émbolo o diafragma) y
válvulas
●
Puede ser de simple o doble efecto
●
Sujeto a pulsaciones de flujo
●
Ideal para alta presión y capacidad moderada a alta
●
Considere para líquidos viscosos, servicios intermitentes y robustos
●
Utilizado con frecuencia para aplicaciones de medición.
●
Costos de capital de inversión y mantenimiento de moderados a altos, con una
larga vida útil
Bombas reciprocantes

de equipos
8
●
Capacidad esencialmente constante a velocidad constante independientemente
del ΔP
●
Tipos comunes: levas, tornillo, engranaje, paleta, lóbulo
●
Baja tolerancia a los sólidos
●
Amplio rango de viscosidades (hasta 500000 SSU)
Bombas rotativas

de equipos
9
●
Capacidad variable para cabezales casi constantes a una velocidad dada
●
Las partes hidráulicas esenciales son la carcasa, el impulsor y el difusor. El
impulsor es el componente clave
●
Puede ser de una etapa o de varias etapas para cabezales más altos
●
Bajo nivel de ruido, flujo uniforme y amplia capacidad/flexibilidad de cabezal,
pero limitaciones con líquidos de alta viscosidad.
●
Bajos costos de capital de inversión y mantenimiento, con una vida media a
larga
Bombas centrífugas

de equipos
10
●
Relativamente plano
●
El cabezal disminuye gradualmente a medida que aumenta el flujo
●
Tenga en cuenta que la potencia al freno aumenta gradualmente a medida que
aumento el flujo, con un incremento sobre el rango máximo de flujo
Curva de cabezal para una bomba de flujo
radial
Figura 1. Curva característica para una bomba de flujo radial

de equipos
11
●
La curva de cabezal para la bomba de flujo mixto es más pronunciada que para
una bomba de flujo radial
●
El cabezal desarrollado por la bomba con caudal nulo (shut-off) suele ser del
150% al 200 % del cabezal de diseño
●
La potencia al freno permanece bastante constante en el rango de flujo
Curva de cabezal para una bomba centrífuga
de flujo mixto
Figura 2. Curva característica para una bomba centrífuga de flujo mixto

de equipos
12
●
Para una bomba de flujo axial típica, el cabezal y la potencia al freno aumentan
drásticamente cerca del shut-off
Curva de cabezal para una bomba axial o de
hélice
Figura 3. Curva característica para una bomba de flujo axial

de equipos
13
●
Curva compuesta que indica el comportamiento la bomba a una velocidad dada
con varios diámetros de impulsor de máximo a mínimo (Ver curva en diapositiva
17)
●
Las líneas de potencia constante, eficiencia y NPSHR se superponen sobre varias
curvas de cabezal
●
Compuestas de curvas de prueba individuales para varios diámetros de
impulsor
Curva característica del fabricante de una
bomba centrífuga

de equipos
14
●
Expresan la relación matemática entre varias variables involucradas en el
rendimiento de la bomba
●
Aplican a todo tipo de bombas centrífugas y de flujo axial
●
Son las siguientes:
1. Con el diámetro del impulsor D constante
Q: capacidad, GPM
H: cabezal total, ft
BHP: potencia al freno
N: velocidad de la bomba, RPM
A. B. C.
Q1
Q2
=
N1
N2
H1
H2
=(
N1
N2
)
2
BHP1
BHP2
=(
N1
N2
)
3
Leyes de afinidad

de equipos
15
1. Con la velocidad N de la bomba constante
A. B. C.
●
Cuando se conoce el rendimiento (Q1, H1 y BHP1) a alguna velocidad (N1)
o diámetro (D1) en particular, se pueden usar fórmulas para estimar el
rendimiento (Q2, H2 y BHP2) a alguna otra velocidad (N2) o diámetro (D2)
●
La eficiencia se mantiene casi constante para cambios de velocidad y
pequeños cambios en el diámetro del impulsor
Leyes de afinidad
Q1
Q2
=
D1
D2
H1
H2
=(
D1
D2
)
2
BHP1
BHP2
=(
D1
D2
)
3

de equipos
16
A figura mostrada a continuación representa la curva característica para una
bomba que opera a 3500 RPM con varios diámetros de impulsor
Los datos de rendimiento han sido determinados por pruebas reales realizadas
por el fabricante (Ver Figura 4)
Ahora suponga que tiene un impulsor de 6,75" de diámetro máximo, pero desea
accionar la bomba por correa a 4000 RPM
Ejemplo usando las leyes de afinidad

de equipos
17
Figura 4. Curva característica suministrada por el fabricante de la bomba

de equipos
18
El primer paso es leer la capacidad, cabezal y potencia al freno en varios
puntos en el diámetro de 6,75", en la curva de afinidad. Por ejemplo, un punto
puede estar cerca del punto de mejor eficiencia es donde la capacidad es 230
GPM, la cabeza es 190 ft y BHP es aproximadamente 15 hp
230
Q2
=
3500
4000
190
H2
=(
3500
4000
)
2
15
BHP2
=(
3500
4000
)
3
Q2=262,86GPM
H2=248,16 ft
BHP2=22,40hp

de equipos
19
●
Este será entonces el punto de mejor eficiencia en la nueva curva de 4000
RPM. Al realizar los mismos cálculos para varios puntos en la curva de 3500
RPM, se puede dibujar una nueva curva que se aproximará al rendimiento de
la bomba a 4000 RPM
●
Se requeriría prueba y error para resolver este problema a la inversa. En otras
palabras, suponga que desea determinar la velocidad requerida para hacer
una prueba a 260 GPM y una altura de 248 ft. Comenzaría seleccionando una
velocidad de prueba y aplicando las leyes de afinidad para obtener los
valores de Q1, H1 y BHP1 correspondientes a 3500 RPM. Cuando se llegue a la
velocidad de 4000 RPM, en este caso, la solución correcta para una velocidad
de 3500 RPM caerá en la curva de 6,75" de diámetro.

de equipos
20
●
La capacidad se basa en el caudal neto máximo anticipado más la asignación
para fluctuaciones operativas y de proceso inesperadas
●
Debe incluir una asignación para la recirculación de calentamiento externo, si
corresponde
●
No es necesario incluir margen adicional para recirculación interna
●
Incluido por el proveedor
●
La capacidad de la bomba se cotiza en función del flujo neto a través de la
bomba
●
Si el caudal mínimo es menor al 30 % de la capacidad nominal, es posible que
se requiera un caudal mínimo
●
Las capacidades mínimas de flujo deben confirmarse con el proveedor
●
El ahorro es habitual en el servicio continuo
Requerimientos de capacidad de una bomba

de equipos
21
●
De la ecuación de Bernoulli reordenada se puede obtener una ecuación para
el cálculo del cabezal requerido para una bomba en particular:
Z: elevación relativa, m
P: presión absoluta, Pa
V: velocidad del fluido, m/s
g: aceleración gravitatoria, 9,8 m/s2
ρ: densidad del fluido, kg/m³
Hp: energía aportada por la bomba, m
Hf: energía debida a las pérdidas por fricción, m
Hp=
(P2−P1)
ρ⋅g
+
(V 2
2
−V 1
2
)
2g
+(Z 2−Z 1)+Hf
Presión diferencial de la bomba

de equipos
22
●
El requerimiento de energía de la bomba se puede expresar como presión
diferencial (ΔP)
ρ: densidad del fluido, kg/m³
g: aceleración gravitatoria, 9,8 m/s2
Hp: energía aportada por la bomba, m
ΔP = presión diferencial requerida por la bomba, Pa o N/m²
●
Presión diferencial de la bomba
Δ Pp=Hp⋅ρ⋅g

de equipos
23
●
Calcule el ΔP requerido para P-1 en el sistema que se muestra
Ejemplo de cálculo de presión diferencial de
una bomba
Elev = 3,05 m
Elev = 18,29 m
P1 = 170300,51 Pa
P2 = 790828,66 Pa
Caída de presión por fricción = 68947,57 Pa
Densidad del fluido = 800,93 kg/m3
P2
P1
Figura 5. Diagrama de flujo de un sistema de bombeo

de equipos
24
●
Z1 = 3,05 m
●
Z2 = 18,29 m
●
P1 = 170300,51 Pa
●
P2 = 790828,66 Pa
●
No hay variaciones de velocidad a lo largo del sistema dado que no
existen cambios de diámetro de la tubería
una bomba
Δ Pp=103,08⋅800,93⋅9,8=809906,22 Pa
Hp=
(790828,66−170300,51)
800,93⋅9,8
+(18,29−3,05)+
68947,57
800,93⋅9,8
=103,08m

de equipos
25
●
Las bombas centrífugas generan su cabezal al convertir la velocidad en
presión estática
●
Para un caudal y una velocidad dados, una bomba centrífuga genera la
misma altura en metros de fluido, independientemente de la gravedad
específica del fluido
●
A medida que aumenta el caudal, el cabezal de la bomba y la presión
diferencial disminuyen
Características de la bomba centrífuga

de equipos
26
Ejemplo de cálculo de presión diferencial
Figura 6. Curva cabezal Vs. Capacidad para una bomba centrífuga

de equipos
27
●
Consulte la curva característica de la bomba en la diapositiva anterior
●
Calcule la presión diferencial para esta bomba al bombear 22,71 m3
/h
(100 GPM) de:
a) Agua a 15°C, SGc = 1,0
b) Gasolina a 15°C, SGc = 0,6
●
Hp = 579,12 m (1900 ft) leído en la curva característica de la bomba
(Ver Figura 6)
a) Para el agua:
b) Para la gasolina:
Ejemplo de cálculo de presión diferencial
Δ Pp=579,12⋅1⋅1000⋅9,8=5675376 Pa
Δ Pp=579,12⋅0,6⋅1000⋅9,8=3405225,6 Pa

de equipos
28
●
Potencia hidráulica: la cantidad de energía impartida al fluido por unidad de
tiempo
●
Potencia en el eje (potencia al freno): la cantidad de energía suministrada al
eje de la bomba por unidad de tiempo
- También conocida como potencia al freno
- Potencia en el eje = Potencia hidráulica / Eficiencia de la bomba
●
Potencia del motor
- La cantidad de energía consumida por el impulsor de la bomba (motor o
turbina) por unidad de tiempo
- Potencia del motor = Potencia en el eje / Eficiencia del motor
Requerimientos de potencia de una bomba

de equipos
29
●
Una medida de pérdidas internas dentro de la bomba.
●
Rangos de 20% a 90%
●
Por lo general, se incluye en función de la capacidad de la bomba en la curva
del fabricante.
Eficiencia de una bomba

de equipos
30
Potencia hidráulica:
HP: potencia hidráulica, m
g: aceleración gravitacional, 9,8 m/s2
W: flujo másico, kg/h
Potencia al freno, BHP:
Potencia del motor, DHP
Cálculos de potencia de una bomba
HP=
hp⋅W⋅g
3600
BHP=
HP
Eficienciadelabomba
DHP=
BHP
Eficienciadelmotor

de equipos
31
Curva característica de eficiencia de una
bomba
Figura 7. Curva característica para una bomba centrífuga

de equipos
32
●
Consulte la curva característica de la bomba en la diapositiva anterior
●
Calcule la potencia al freno de esta bomba al bombear 22,71 m3
/h (100
GPM) de:
a) Agua a 15°C, SGc = 1,0
b) Gasolina a 15°C, SGc = 0,6
●
Determinar el caudal másico
a) Para el agua:
Ejemplo de cálculo de potencia de una
bomba
Wagua=22,71⋅1,0⋅1000=22710 kg/h
Wgasolina=22,71⋅0,6⋅1000=13626 kg/h

de equipos
33
Determinar la potencia hidráulica
Hp = 579,12 m (1900 ft) leído en la curva característica de la bomba
(Ver Figura 7)
a) Para el agua:
bomba
HPagua=
579,12⋅22710⋅9,8
3600
=35802,16W
HPgasolina=
579,12⋅13626⋅9,8
3600
=21481,30W

de equipos
34
●
Determinar la potencia al freno
Eficiencia = 0,51 a 22,71 kg/h
●
a) Para el agua:
bomba
BHPgasolina=
21481,3
0,51
=42120,20W
BHPagua=
35802,16
0,51
=70200,32W

de equipos
35
●
La cavitación es el colapso rápido de las burbujas de vapor en la carcasa, lo
que provoca ruido, vibraciones y daños en la bomba
●
Para evitar la cavitación, se debe suprimir la formación de burbujas de vapor
dentro de la carcasa de la bomba
●
NPSH es la presión en la brida de succión menos la presión de vapora la
temperatura de bombeo expresada en metros del fluido que fluye
●
Deben considerarse dos valores de NPSH:
- NPSH disponible: está determinado por el diseño, la distribución y la
elevación del sistema del lado de succión externo
- NPSH requerido: está relacionado con el diseño interno del impulsor de
la bomba y lo determina el fabricante de la bomba
- El NPSH disponible siempre debe ser mayor que el NPSH requerido para
que la bomba funcione correctamente
Cavitación y cabezal de succión positivo neto
(NPSH)

de equipos
36
●
El NPSH requerido varía según la capacidad de la bomba
Generalmente, una bomba no debería requerir más de 7,5 m de NPSH
●
Para una bomba determinada, el NPSH requerido generalmente aumenta con
el caudal
●
Para algunas bombas, el NPSH requerido puede ser mayor a capacidades
reducidas
Requerimientos típicos de NPSH
Q, m3
/h NPSHR, m
0 – 22,7 ∼ 1,83
22,7 – 56,8 2,13 – 2,44
56,8 – 113,6 2,74 – 3,35
113,6 – 227,1 3,66 – 4,27
227,1+ 4,57 – 7,62

de equipos
37
●
El NPSH disponible se define como la diferencia entre la presión en la brida
de succión de la bomba y la presión de vapor del fluido a la temperatura de
bombeo expresada como metros de fluido
●
El cálculo del NPSH puede efectuarse a partir de la ecuación:
NPSHD: cabezal de succión positiva neto disponible, m
P0: presión de la interfaz líquido/vapor, Pa
Pv: Presión de vapor a la temperatura de bombeo, Pa
Z0: elevación de la interfaz líquido/vapor, m
Zp: elevación de la línea central de succión de la bomba, m
Δps: caída de presión por fricción en la línea de succión, Pa
NPSH disponible
NPSH D=
P0−Pv
ρ⋅g
+(Z0−Z p)−
ΔPs
ρ⋅g

de equipos
38
●
Calcule el NPSH disponible P-1 en el sistema que se muestra. Asuma
que el líquido se encuentra en su punto de burbuja y la caída de presión
por fricción en la línea de succión es de 3447,4 Pa.
●
una bomba
Elev = 3,05 m
Elev = 18,29 m
P1 = 170300,51 Pa
P2 = 790828,66 Pa
Caída de presión por fricción = 3447,40 Pa
Densidad del fluido = 800,93 kg/m3
P2
P1
Figura 8. Diagrama de flujo de un sistema de bombeo

de equipos
39
●
Para el líquido en la línea de succión, la presión P0 corresponde a la del
líquido saturado:
●
Aplicando la ecuación de cálculo para NPSHD:
una bomba
PO=Pv=68947,50+101352,83=170300,33 Pa
NPSH D=
170300,33−170300,33
800,93⋅9,8
+(3,05−0,61)−
3447,40
800,93⋅9,8
=2,00m

de equipos
40
●
El NPSH se verá afectado por la temperatura del fluido y por los
gases/vapores arrastrados
●
Deben identificarse y evaluarse las situaciones en las que esto puede ocurrir
●
Las opciones de diseño incluyen:
- Retornos para evitar el sobrecalentamiento (Ver Figura 9)
- Rompedores de vórtice (Ver Figura 10)
●
Identificar situaciones que pueden surgir durante condiciones de operación
transitorias, así como en condiciones normales y de diseño
NPSH: aspectos a tener en cuenta

de equipos
41
NPSH: aspectos a tener en cuenta
Figura 10. Diseño de interruptor de vórtices
Figura 9. Instrumentación típica en sistemas de bombeo. Control de recirculación y
control de flujo

de equipos
42
●
Un gráfico de la presión diferencial requerida de la bomba en función del
caudal (excluyendo la caída de presión de la válvula de control, si la hay)
●
Una bomba centrífuga siempre funcionará en la intersección de la curva de
resistencia del sistema con la curva de capacidad de carga de la bomba
cuando no haya una válvula de control presente
●
Cuando la presión diferencial requerida del sistema a un caudal dado es
menor que la presión diferencial desarrollada por la bomba a ese caudal, se
utiliza una válvula de control para absorber la diferencia
Curva de resistencia del sistema

de equipos
43
Curva de resistencia del sistema
Figura 11. Curva de resistencia de un sistema de bombeo

de equipos
44
●
Puede ser necesario el funcionamiento en paralelo de las bombas:
- Para aumentar la capacidad total de bombeo
- Para una mayor fiabilidad (por ejemplo: en sistemas de agua de
enfriamiento)
- Durante el reemplazo de bombas
●
Para el funcionamiento en paralelo se requiere que las curvas de la bomba
sean compatibles:
- Ambas bombas deben transportar una parte proporcional de la carga
- Debe evitarse hacer funcionar cualquiera de las bombas cerca de la
condición de caudal nulo (shut-off) o demasiado cerca de las condiciones
de máxima presión diferencial / capacidad
Operación de bombas en paralelo

de equipos
45
Ejemplo de operación de bombas en paralelo
Figura 12. Curva de resistencia de un sistema de bombas en paralelo

de equipos
46
●
En un sistema de bombeo compuesto por dos bombas A y B respectivamente,
como se muestra en la curva de operación (Ver Figura 12) la capacidad de
bombeo requerida es 1400 GPM. Ni la bomba A ni la bomba B por sí solas
pueden alcanzar 1400 GPM a la presión diferencial requerida del sistema de
180 psi. Determine el rango de operación de las bombas y a presión
diferencial para cumplir con el requerimiento.
Trazando una paralela al eje de capacidad a la presión diferencial de 220 psi
se cumple el requerimiento de 1400 GPM, sin embargo, a estas condiciones se
supera el ΔP requerido de 180 psi. Debe entonces calcularse el ΔP de a
válvula de control para absorber esta diferencia:
●
Para un ΔP de 220 psi:
- La bomba A funciona a 500 GPM (36 % de de la capacidad total requerida)
- La bomba B funciona a 900 GPM (64 % de de la capacidad total requerida)
Δ Pvalv .control=220−180=40 psi

de equipos
47
Algunas observaciones
●
La capacidad máxima alcanzable con la bomba A es de 1200 GPM con ΔP = 0
en la válvula de control
●
La capacidad máxima alcanzable con la bomba B es de 1325 GPM con ΔP = 0
en la válvula de control
●
La capacidad máxima alcanzable con ambas bombas es de 2500 GPM con
ΔP = 0 en la válvula de control
●
La operación en paralelo es sostenible solo entre 650 – 2050 GPM
●
La operación en paralelo a Q < 650 GPM hace que la bomba A funcione en
condiciones de Shut-off
●
Para evitar dañar la bomba A, no se debe intentar la operación en paralelo
con caudales inferiores a 650 GPM

de equipos
48
●
La operación de bombas en serie puede ser necesaria cuando la presión
diferencial requerida no se puede lograr con una sola bomba
●
La bomba aguas abajo generalmente se conoce como bomba de "refuerzo".
●
Para el funcionamiento en serie, los cabezales se suman al mismo caudal
Operación de bombas en serie

de equipos
49
●
En un sistema de bombeo compuesto por dos bombas A y B respectivamente,
como se muestra en la curva de operación (Ver Figura 12) la capacidad de
bombeo requerida es 1000 GPM. Ni la bomba A ni la bomba B pueden
alcanzar 1000 GPM a la presión diferencial requerida del sistema de 320 psi.
Determine el rango de operación de las bombas y a presión diferencial para
cumplir con el requerimiento.
Trazando una perpendicular al eje de capacidad a un caudal de 1000 GPM se
obtienen las siguientes presiones diferenciales:
Al operar las bombas A y B en serie, su DP combinado a 1000 GPM es de 400
psi frente a un DP requerido de 320 psi. Debe entonces calcularse el ΔP de a
válvula de control para absorber esta diferencia:
Ejemplo de operación de bombas en serie
Δ PA=190 psi Δ PB=210 psi Δ Pserie=190+210=400 psi
Δ Pvalv .control=400−320=80 psi

de equipos
50
●
La misma bomba normalmente se puede suministrar con diferentes
impulsores
●
Permite la expansión
●
El motor debe tener el tamaño para el impulsor más grande que la carcasa
pueda aceptar
●
Debe tener cuidado de identificar la presión máxima que se puede generar
con el impulsor más grande (puede afectar la presión de diseño del sistema
aguas abajo)
El impulsor

de equipos
51
El impulsor
Figura 13. Curva característica de una bomba que muestra el efecto de la
variación del diámetro del impulsor en la capacidad de la bomba

de equipos
52
Bibliografía consultada
Kenneth, J. (1987). Bombas: selección, uso y mantenimiento. (1era. ed.). McGraw-Hill
Ludwig, E. E. (1999). Applied process design for chemical and petrochemical plants.
(Vol. 1, 3era ed.). Gulf professional publishing
Perry, R. H., Green, D. W., Maloney, J. O. (1997). Perry’s chemical engineer’s handbook
(7ma ed.). McGraw-Hill Professional

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