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GRUNDFOS AGUAS RESIDUALES

MANUAL DE BOMBEODE AGUAS RESIDUALES

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LES

MANUAL DE BOMBEO DE AGUAS RESIDUALES

La utilizacin de bombas sumergibles para aplica-ciones de bombeo de aguas residuales y de drena-je ha aumentado considerablemente en las lti-mas dcadas despus de su aparicin en el mer-cado. La introduccin de bombas sumergiblespara servicio pesado con motores de ms de 500kW significa que son tambin adecuadas para ser-vicios municipales de bombeo centralizados. Sugran calidad y los buenos resultados conseguidoshan eliminado prcticamente la utilizacin debombas convencionales en los servicios municipa-les.

Por la misma razn, debido a las caractersticasespeciales de las bombas sumergibles, ha sidonecesario desarrollar nuevos conocimientos res-pecto a su implementacin, tal como el diseo deestaciones de bombeo. Esta labor ha sido desarro-llada tanto por fabricantes de bombas como poringenieros municipales.

La finalidad de este libro es ofrecer de forma con-cisa la informacin ms reciente, tanto de bom-bas sumergibles como de estaciones de bombeo,para provecho de todos los profesionales quequieren estar al da. El libro est dividido en sec-ciones segn los temas tratados.La seccin 1 describe la teora bsica de bombeo,proporcionando informacin bsica de referen-cias para evaluar el rendimiento de las bombas. Eldiseo y la construccin de las bombas sumergi-bles estn descritos en la seccin 2. La seccin 3

trata sobre el funcionamiento de las bombas,ofreciendo mtodos para calcular su funciona-miento en distintas instalaciones. Se comentantambin factores que influyen en la seleccin debombas. La seccin 4 ofrece informacin de prue-bas de bombas. Se describe el diseo bsico deestaciones de bombeo en la seccin 5, proporcio-nando informacin del diseo, tanto para aplica-ciones grandes como pequeas. La seccin 6 des-cribe la regulacin continua del funcionamientode las bombas sumergibles mediante control defrecuencia. El concepto del coste del ciclo vital debombas y estaciones de bombeo est presentadoen la seccin 7. La seccin 8 trata sobre temas rela-cionados con la puesta en marcha de las bombas,mientras que su funcionamiento y mantenimien-to estn descritos en la seccin 9. La seccin 10trata sobre el control y la regulacin de estacionesde bombeo. El apndice A proporciona informa-cin de las caractersticas hidrulicas de los com-ponentes comunes de tuberas para calcular lasprdidas en las mismas. El apndice B presenta unmtodo para determinar la capacidad de unaestacin de bombeo de aguas residuales y la fre-cuencia de arranques de las bombas.

Nuestro objetivo es que este libro resulte fcil deleer y comprender. Por lo tanto, la presentacinest acompaada de muchas ilustraciones queofrecen ejemplos e informacin complementariade cada tema.

3

Introduccin

Introduccin

ndice

5

Indice

1 Teora de bombeo ...................................... 71.1 Ecuacin de altura .......................................... 71.1.1 Caudal con prdidas o aumento de

energa ............................................................... 71.1.2 Lquido que fluye de un depsito ............... 81.2 Ecuacin bsica de bombas ......................... 81.3 Curva y prdidas de bombas ....................... 101.3.1 Efecto del nmero finito de labes ............101.3.2 Prdidas por friccin Hf .................................101.3.3 Prdidas por discontinuidad Hs .................. 101.3.4 Prdidas por fugas Hv ..................................101.3.5 Otras prdidas ................................................. 111.4 Cavitacin y NPSH .......................................... 111.4.1 Definicin de NPSH ........................................ 121.4.2 Plano de referencia .........................................121.4.3 NPSH necesario .............................................. 121.4.4 NPSH disponible ..............................................141.4.5 Margen de seguridad de NPSH ................... 151.4.6 Remanso de pozos de aspiracin ............... 15

2 Construccin de bombas ...........................162.1 General ............................................................. 162.2 Bomba ...............................................................182.2.1 Impulsores ........................................................ 182.3 Motores .............................................................272.3.1 General ..............................................................272.3.2 Motores antideflagrantes ............................ 272.3.3 Refrigeracin del motor ................................ 272.3.4 Estanqueidad del motor ...............................292.3.5 Cojinetes del motor ....................................... 312.3.6 Dispositivos de proteccin de motor ........ 322.4 Conexin de la bomba ..................................342.5 Materiales de construccin,

corrosin y desgaste ......................................362.5.1 Resistencia a la corrosin .............................362.5.2 Resistencia al desgaste ................................. 372.5.3 Lquidos abrasivos .......................................... 37

3 Funcionamiento de la bomba .................. 383.1 Altura de bomba ............................................ 383.1.1 Bomba sumergibles ..................................... 383.1.2 Bombas instaladas en seco ......................... 393.2 Curvas caractersticas de la bomba ...........393.2.1 Curva H ............................................................. 393.2.2 Curvas de rendimiento .................................403.2.3 Curvas de potencia ........................................403.2.4 Curva NPSH ..................................................... 403.3 Prdidas en tuberas y curvas

caractersticas de la tubera deimpulsin .......................................................... 41

3.3.1 Prdidas por friccin .......................................41

3.3.2 Prdidas locales ...............................................433.3.3 Curva caracterstica de la tubera de

impulsin .......................................................... 433.4 Tamao de la tubera de impulsin ........... 443.4.1 Economa ...........................................................443.4.2 Paso libre de slidos ....................................... 453.4.3 Prevencin de depsitos de slidos y

lodos ................................................................... 453.4.4 Golpes de ariete .............................................. 453.4.5 Prevencin de golpes de ariete ....................473.5 Punto de trabajo de la bomba .....................483.5.1 Funcionamiento con una bomba ................483.5.2 Funcionamiento en paralelo,

bombas idnticas ............................................483.5.3 Funcionamiento en paralelo,

bombas diferentes ..........................................483.5.4 Funcionamiento en serie .............................. 493.5.5 Punto de trabajo real ..................................... 493.6 Bombeo de lodos ............................................ 503.7 Tuberas de impulsin complejas ............... 503.7.1 Qu ocurre en una tubera de

impulsin compleja? ....................................... 513.7.2 Determinacin de altura ................................513.7.3 Tamao de la tubera y velocidad del

caudal .................................................................513.7.4 Eleccin de bomba ...........................................513.7.5 Medidas de ratificacin ..................................523.8 Evaluacin del punto de trabajo de

estaciones de bombeo paralelas ................. 52

4 Pruebas de bombas ..................................544.1 Dispositivos de pruebas .................................544.1.1 Pruebas de produccin ...................................544.1.2 Pruebas in situ, punto de trabajo ................554.2 Pruebas de aceptacin ...................................564.2.1 Normativas de pruebas ................................. 56

5 Estaciones de bombeo ...............................595.1 Diseo bsico de estaciones de bombeo ..595.1.1 Volumen y rea de la superficie de la

fosa hmeda .....................................................595.1.2 Tubera de entrada de la estacin de

bombeo ............................................................. 605.1.3 Forma del suelo de la fosa hmeda ...........60 5.1.4 Niveles de parada ............................................ 615.1.5 Niveles de arranque ........................................625.1.6 Dimensin y diseo de la tubera de

aspiracin ..........................................................625.1.7 Tubera interior de estaciones de

bombeo ..............................................................635.1.8 Dispositivos de agitado .................................645.1.9 Problemas de malos olores en

estaciones de bombeo ................................. 64

6Indice

5.1.10 Ejemplos de diseo de estaciones debombeo ............................................................ 64

5.1.11 Posiciones de bombas instaladas en seco.................................................................... 67

5.2 Estaciones de bombeo prefabricadas...... 685.2.1 Estaciones de bombeo para instalacin

en el exterior.................................................. 685.2.2 Estaciones de bombeo para instalacin

en el interior.....................................................705.3 Estaciones de bombeo con bombas

instaladas en columna.................................. 705.4 Seleccin de dimensiones de

estaciones de bombeo ................................. 725.4.1 Estaciones de bombeo de aguas

residuales normales ..................................... 725.4.2 Estaciones de bombeo de aguas

pluviales............................................................ 725.4.3 Estaciones de bombeo combinadas de

aguas residuales y tanques de retencin.......................................................... 73

5.5 Seleccin de bomba ..................................... 745.5.1 Seleccin de bomba basada en las

curvas de bomba............................................ 745.5.2 Comprobacin del rendimiento de la

bomba ............................................................. 745.5.3 Nmero de bombas .................................... 755.6 Condiciones especiales................................ 765.6.1 Vibraciones de la bomba .......................... 765.6.2 Ruido de la bomba 77

6 Bombas de aguas residuales con control de frecuencia ............................... 78

6.1 General ............................................................. 786.1.1 Seleccin del motor de bomba ................ 786.1.2 Frecuencia mxima ....................................... 786.1.3 Frecuencia y funcionamiento mnimos ... 796.1.4 Curvas de frecuencias de la bomba .........796.1.5 Atascos de las bombas ............................... 806.1.6 Requisito de cable EMC ............................... 816.1.7 Corrientes en los cojinetes ......................... 816.1.8 Alta tensin .................................................... 816.1.9 Motores antideflagrantes ........................... 816.1.10 Valores garantizados .................................... 816.1.11 Pruebas con variador de frecuencia

(pruebas simultneas) ................................. 816.1.12 Colaboracin con el fabricante de

bombas ............................................................ 82

7 Evaluacin del coste del ciclo vital de la bomba ............................................. 83

7.1 General .............................................................837.2 Periodo de clculo ......................................... 83

7.3 Costes de inversin ....................................... 837.4 Costes de energa ......................................... 847.4.1 Rendimiento a lo largo del tiempo .......... 847.4.2 Clculos de utilizacin de energa ............ 857.5 Costes de mantenimiento .......................... 857.6 Cooperacin con proveedores de

bombas ............................................................ 867.7 Publicacin del coste del ciclo vital ......... 86

8 Puesta en marcha .................................... 87

9 Funcionamiento y servicio ...................... 889.1 Seguridad ....................................................... 88

10 Control y comprobacin del estado deestaciones de bombeo ............................ 89

10.1 Mtodos de control local ............................ 8910.1.1 Unidades de control manual ..................... 8910.1.2 Unidades de control basadas en rels .... 8910.1.3 Controladores lgicos programables ...... 8910.2 Sensores para control y comprobacin

del estado de la bomba ............................ 9010.2.1 Sensores del nivel de agua en fosas

hmedas ......................................................... 9010.2.2 Sensor de corriente ....................................... 9110.2.3 Medidor de kWh ........................................... 9110.2.4 Rel de fallo de fases .................................... 9110.2.5 Dispositivo de comprobacin SARI 2 ........ 9110.2.6 Mdulo de estado de alarma ASM 3 ....... 9210.3 Unidades de control de bombas .............. 9210.3.1 Caractersticas de control ........................... 9210.3.2 Caractersticas de la comprobacin del

estado .............................................................. 9410.3.3 Parmetros y seales ................................... 9410.3.4 Registro y anlisis de datos ........................ 9410.3.5 Interfase del usuario .................................... 9510.4 Sistema de control y comprobacin a

distancia .......................................................... 9510.4.1 Diferentes niveles de control remoto ..... 9510.4.2 Software y hardware ................................... 9610.4.3 Transmisin de datos ................................... 9610.4.4 Transferencia de alarma .............................. 9710.4.5 Integracin de sistemas .............................. 9710.5 Control y comprobacin a distancia,

basados en Internet y WAP ........................ 97

Smbolos ........................................................... 100

Apndice A ........................................................ 103

Apndice B ......................................................... 111

1 Teora de bombeo

Esta seccin es un resumen de la teora de bom-beo de lquidos y proporciona al lector los conoci-mientos tericos bsicos que son fundamentalespara una mayor comprensin del proceso de bom-beo.

1.1 Ecuacin de altura

La figura 1 muestra parte de un caudal continuode lquido en un conducto. Entre las dos seccionesde observacin 1 y 2 ninguna energa es transferi-da al/del lquido y se supone que el caudal notiene friccin. Por lo tanto, la energa total dellquido de un plano de referencia horizontal Ttiene que ser igual en las dos secciones. La energatotal incluye componentes de energa potencial,energa de presin y energa cintica, y para unapartcula de lquido con una masa m, la energa enlas secciones de observacin es como sigue:

donde es la densidad del lquido y g es la acele-racin por gravedad.

Para un caudal sin prdidas, la energa total en lassecciones 1 y 2 ser igual, por lo tanto

Al dividir ambos lados de la ecuacin con el trmi-no mg se obtiene

Esta ecuacin se llama ecuacin de Bernoulli, enreferencia al ingeniero que fue el primero en de-sarrollarla. Los trminos de la ecuacin son expre-sados como alturas, por lo que se denominanaltura esttica, altura de presin y altura cintica

respectivamente.

La ecuacin es esencial para mecnicas de fluidosy puede utilizarse para explicar muchos fenme-nos hidrodinmicos, tales como la cada de pre-sin que acompaa una reduccin en un reatransversal del caudal. En este caso la velocidaddel lquido aumenta, y para que la altura total semantenga constante y suponiendo que la alturapotencial no cambia, la presin o altura estticadebe disminuir.

1.1.1 Caudal con prdidas o aumento deenergaSi hay prdidas en el caudal entre las secciones 1 y2 de la figura 1, la ecuacin de altura 1 puede escri-birse

donde Hr es la prdida de carga.

Si se aade energa al caudal, colocando unabomba entre las secciones 1 y 2 de la figura 1, laecuacin 2 puede escribirse

donde H es la altura total de bombeo.

7

Teora de Bombeo 1

Seccin

Energapotencial

Energa depresin

Energacintica

v2

p2

p1

v1

h2

h1

2

Q

T

1

Fig. 1

Seccin que muestra un caudal de lquido a travsde dos secciones de observacin. T es un plano dereferencia de las alturas potenciales h1 y h2, p1 y

p2 son las presiones predominantes, y v1 y v2 son

las velocidades del lquido en las secciones 1 y 2.

1.1.2 Lquido que fluye de un depsitoUn ejemplo de aplicacin de la ecuacin deBernoulli es el clculo del caudal de un lquido quefluye libremente de un depsito abierto.

La figura 2 muestra un depsito abierto con unorificio de salida cerca del fondo. Con fines prcti-cos se supone que el rea A2 es mucho mayor queel rea del orificio A2, y que la presin atmosfricap1 del depsito es igual a la presin por fuera delorificio, p2.

Si elegimos la lnea central del orificio como planode referencia T, el trmino h2 es igual a cero y h1 esigual a h. A1 es mucho mayor que A2, por lo que

podemos suponer que la altura cintica es cero.

Por lo tanto, la ecuacin de altura 1 puede escribir-se

por lo tanto

Para el caudal en volumen sin prdidas se obtiene

Para compensar las prdidas presentes se ha aa-dido un coeficiente de caudal a la ecuacin 6,por lo tanto

El coeficiente de caudal depende de la forma delorificio y puede conseguirse en libros de textosobre la materia. Si se deja descender el nivel dellquido del depsito, la altura de nivel h cambiar,lo que debe tenerse en cuenta en los clculos.

1.2 Ecuacin bsica de bombas

Se utiliza la ecuacin bsica de bombas para cal-cular y disear formas geomtricas y dimensionesde bombas centrfugas, as como para calcular lacurva Q/H de la bomba.

La figura 3 muestra un labe de impulsor y susvectores de velocidad asociados.

v = velocidad absoluta del lquidow = velocidad relativa hacia el labeu = velocidad perimetralVu = componente tangencial de la velocidad

absolutaVm= componente radial de la velocidad absoluta

La velocidad relativa es paralela al labe en cual-quier punto dado.

Tambin y XXX

Si suponemos que el caudal no tiene prdidas y elnmero de labes es infinito ( ), podemos de-sarrollar la conocida ecuacin bsica de la teorade bombeo, utilizando las leyes de la mecnica.Esta relacin se conoce como la ecuacin de Eulery se expresa como:

donde el ndice t se refiere a un caudal sin prdi-das y se refiere a la hiptesis de un nmero infi-nito de labes que garantizan un sentido comple-to del lquido.

En una bomba real no puede garantizarse ningu-na de estas hiptesis, ya que siempre hay prdidaspor friccin y el nmero infinito de labes no lle-var el caudal totalmente en el sentido del labe.

8

1 Teora de Bombeo

p2 = p2

p1

v1h

T

v2

A1

A2

Fig. 2

Seccin de un depsito de lquido con un orificio desalida cerca del fondo. A1 y A2 son las reas trans-versales de la superficie y del orificio de salida, h esla diferencia de altura entre la superficie y la lneacentral del orificio, v1 es la velocidad de descenso dela superficie y v2 la velocidad de salida del lquidopor el orificio. La presin ambiente es constante.

8

8

El rendimiento hidrulico h tiene en cuenta lareduccin de altura ocasionada por prdidas en elcaudal, y la reduccin debida a la desviacin delcaudal desde el ptimo ngulo 2 se compensamediante un coeficiente de labe k. Con estasmodificaciones, la ecuacin de Euler de unabomba real queda con sigue:

Puede mostrarse que tanto X como k son menoresque la unidad. Aqu no se comentarn ms afondo.

Las bombas centrfugas estn normalmente dise-adas con por lo tanto XX

Por consiguiente la ecuacin bsica de bombeo sesimplifica a

u2

v2

vm2

2

2

vu2

1

w1

12d

dvm 1

11

v1

u1

vu

9

Teora de Bombeo 1

labe de impulsor de bomba con los tringulos de velocidad en los bordes delanteros y posteriores.Velocidad absoluta del lquido v, velocidad relativa w, velocidad perimetral del labe u, componente tan-gencial de la velocidad absoluta del lquido vu y componente radial vm.

Fig. 3

1.3 Curva y prdidas de bombas

La altura ptima obtenida con la ecuacin deEuler es independiente del volumen de caudal Q.Si se traza la curva Q/Ht , Ht se indica con unalnea recta. Se obtiene la curva Q/H real, restandolos efectos del nmero finito de labes y otras pr-didas que se producen dentro de la bomba. Ver lafigura 4.

1.3.1 Efecto del nmero finito de labes Como ya se ha observado, un nmero finito delabes disminuye la altura con el factor de labek. Teniendo esto en cuenta, se obtiene la alturaterica Ht. Esto puede expresarse:

Ht no es del todo lineal, ya que el coeficiente dellabe depende ligeramente del volumen del cau-dal Q. La reduccin de altura de Ht a Ht no se debea prdidas de caudal, sino a la desviacin del lqui-do de los ngulos de caudal ptimos debido alnmero finito de labes.

1.3.2 Prdidas por friccin HfLas prdidas por friccin se producen cuando ellquido fluye a travs de los conductos del impul-sor y la voluta de la bomba. Aumentan aproxima-damente con el cuadrado del caudal Q.

1.3.3 Prdidas por discontinuidad HsLas prdidas por discontinuidad se generan en lassiguientes reas:

Los efectos de las prdidas por discontinuidadestn indicados en la figura 4.

1.3.4 Prdidas por fugas HvLas prdidas por fugas se producen en la holguraentre impulsor y voluta. Aunque la holgura semantenga lo ms pequea posible, un pequeoreflujo pasa desde el rea de alta presin en elborde del impulsor hasta el rea de baja presindel impulsor. Por lo tanto, el caudal a travs delimpulsor es algo mayor que el caudal por fuera dela voluta de la bomba y se alcanza la altura de labomba con caudal reducido, siendo la prdida porfugas Hv la diferencia. El efecto de la prdida porfugas est indicado en la figura 4. Esta prdidaaumentar con el desgaste progresivo de labomba.

10

1 Teora de Bombeo

En el borde delantero del labe donde el lquidogolpea la punta del labe. La prdida es mspequea en el punto caracterstico de labomba, cuando el lquido llega en contacto conel labe en su ngulo 1. Las prdidas aumen-tan al aumentar la desviacin del ngulo decontacto al ngulo 1 del labe, ver la figura 5.Las prdidas en el borde posterior del labe seproducen debido a remolinos formados por ellabe. stos aumentan aproximadamente conel cuadrado del caudal. En la voluta de la bomba a caudales distintos alvalor proyectado, cuando la velocidad del cau-dal en la voluta es distinta a aquella en el per-metro del impulsor. La figura 6 muestra el efec-to. Las diferencias de velocidad crean turbulen-cias que originan prdidas. stas crecen alaumentar la diferencia entre el caudal actual yel caudal proyectado.

Reduction of flow, Q

Effect of finite number of vanes Ht

Friction losses Hr

Discontinuity losses HsHN

H

QN Q

caused by leakage losses, Hv

losses

Q > QN

Q = QN

Q < QN

w1'

v1'

v1

w1

v1"

w1"

u1

1

Fig. 4

Reduccin real de la curva Q/H de la bomba (H)desde la altura terica de la bomba Ht

Fig. 5

Velocidades relativas del borde delantero dellabe (w) y prdidas a varios caudales. Las prdi-das mnimas se producen al caudal nominal de labomba cuando el ngulo de ataque del lquido esigual al ngulo del borde delantero del labe 1.

Reduccin de caudal Q, originada porprdidas por fugas, Hv

Efecto del nmero finito de labes Ht

Prdidas por friccin HrPrdidas por discontinuidad Hs

8

prdidas

8 8

8

1.3.5 Otras prdidasUna bomba centrfuga tiene prdidas adicionalesque no afectan la curva Q/H, pero que aumenta-rn las demandas de energa del eje de motor.Estas incluyen:Para bombas sumergibles, las dos ltimas estnincluidas en las prdidas del motor.

1.4 Cavitacin y NPSH

La cavitacin se produce por la formacin y roturade las burbujas de vapor en un lquido. Se formancuando la presin esttica local de un fluido bajahasta o por debajo de la tensin de vapor del lqui-do a temperatura ambiente. Al moverse la burbu-ja con el caudal a un rea de ms presin se rom-per rpidamente, lo que origina una ola de cho-que local transitoria muy alta en el lquido. Sitiene lugar cerca de una superficie y ocurre variasveces, el choque de presin erosionar finalmen-te el material de la superficie.

El fenmeno de cavitacin ocurre tpicamente enlas bombas centrfugas cerca del borde delanterodel labe del impulsor, ver la figura 7. La cavitacinpuede tambin reducir la curva Q/H y el rendi-miento de la bomba. Una bomba que cavita haceun ruido tpico, como si se bombeara arena a tra-vs de la misma. Ningn material de bombasoportar la cavitacin completamente, por loque hay que tener cuidado si las condiciones defuncionamiento de la bomba suponen riesgo decavitacin.

Las marcas de desgaste producidas por la cavita-cin aparecen localmente y constan de picadurasprofundas con bordes afilados. La profundidad delas picaduras puede ser de varios milmetros, verla figura 8.

Las curvas publicadas de bombas sumergiblesestn normalmente dibujadas de forma que unabomba en una instalacin sumergida normal nocavitar, siempre que el punto de trabajo est enla seccin permitida de la curva Q/H.

Vapour bubbles

Implodingvapour bubbles

( Q > QN )

11

Teora de Bombeo 1

prdidas por friccin en las caras exteriores delimpulsorprdidas por friccin del cierreprdidas por friccin de los rodamientos

Velocity in casing

Absolute velocity after impeller (vu)

Resulting losses

QQN

Fig. 6 Velocidad en la voluta

Velocidad absoluta despus del impulsor (Vu)

Prdidas producidas

Efecto de la diferencia de velocidad en la voluta dela bomba y en el permetro del impulsor. Lasdimensiones de la voluta estn diseadas paracompensar el caudal nominal a la velocidad peri-metral, ocasionando prdidas a otros caudales.

Lquido de bombeo que golpea el borde delantero dellabe en un ngulo distinto al ngulo del labe. Se for-marn remolinos y zonas de baja presin en el otrolado del labe. Si la presin cae por debajo de la ten-sin de vapor se formarn burbujas de vapor. Cuandostas son arrastradas por el caudal a un rea conmayor presin terminarn por romperse. El consi-guiente impacto de alta presin puede ocasionarcorrosin y erosin de la estructura contigua.

Fig. 7 Rotura de burbujas de vapor

Burbujas de vapor

Impulsor con corrosin tpica por cavitacin.

Fig. 8

Si la bomba sumergible est instalada en seco conuna tubera de aspiracin hay que verificar si lainstalacin tiene cavitacin. En estos casos se uti-liza el concepto de NPSH.

1.4.1 Definicin de NPSHNPSH es la sigla de Net Positive Suction Head(Altura de aspiracin neta positiva). Se utilizan lassiguientes alturas de presin para calcular elNPSH.

= altura geodsica de entrada= diferencia de altura entre el plano de referencia y la punta del borde delantero dellabe.= prdidas de carga en la tubera de aspira-cin= cada de presin producida por la velocidadde aspiracin= cada local de presin en el borde delanterodel labe= temperatura ambiente en el nivel del lqui-do= presin esttica mnima en la bomba= tensin de vapor del lquido a la tempera-tura predominante

Las alturas de presin estn indicadas en la figura 9.

Para evitar cavitacin, la presin esttica mnimaen la bomba (Pmin) debe ser mayor que la tensin

de vapor del lquido, oLa figura 10 muestra el principio de distribucin de

la presin esttica del lquido en la tubera deaspiracin, bomba y tubera de impulsin de unainstalacin en seco.

1.4.2 Plano de referenciaEl plano de referencia es el plano en el que se rea-lizan los clculos de NPSH. Es el plano horizontala travs del punto central del crculo descrito porla punta del borde delantero del labe. Para bom-bas horizontales, el plano de referencia coincidecon la lnea central del eje. Para bombas vertica-les, el sitio del plano de referencia est indicadopor el fabricante.

1.4.3 NPSH necesarioSe obtiene el NPSH necesario mediante la siguien-te ecuacin:

NPSH necesario =

Esto se llama tambin el valor NPSH de la bomba.Puede presentarse en funcin del caudal comomuestra la figura 11. Es independiente de la tem-peratura y del tipo de lquido bombeado. El fabri-cante debe indicar el NPSH como un valor num-rico o una curva.

De hecho, cualquier bomba tendr varios valoresNPSH, dependiendo de la definicin del caso, ver

12

1 Teora de Bombeo

hA

HORIZONTAL PUMP VERTICAL PUMP

Reference Plane

Minimum PressureNPSH

pming

Hrt

h

v02

2g

ht pb

pbg

required

Fig. 9

NPSHnecesario

BOMBA HORIZONTAL BOMBA VERTICAL

Presin Mnima

Plano de referencia

Dimensiones y presiones de referencia para calcular el NPSH.

la figura 12. Segn las normativas de pruebas uti-lizadas por los fabricantes de bombas, el NPSHr se

define como la situacin en la que la altura de labomba disminuye un 3 % debido a cavitacin. Estevalor se define como NPSH3.

Es posible que una ligera cavitacin no dae labomba si las burbujas de vapor no se rompencerca de las partes estructurales de la bomba, talcomo el labe del impulsor.

La diferencia entre los distintos valores NPSH esmayor en bombas con impulsores de pocos la-bes. Por lo tanto, los impulsores de un solo labetienen las mayores diferencias en los valoresNPSH, producindose la diferencia por la cada dela curva NPSH3, por lo que las pruebas dan unaslecturas demasiado favorables. Por lo tanto, una curva NPSHr basada en la regla del 3 % del estn-dar es una base deficiente para evaluar el riesgo

13

Teora de Bombeo 1

Liquid static pressure

Vapour pressure

Absolute 0 pressure

Lowest pressure in pump

pbg

pming pv

g

pb ht

ht

Fig. 10

Variacin de presin en una instalacin en seco. Distribucin de la presin esttica del lquido en la tuberade aspiracin, bomba y tubera de impulsin.

Presin esttica del lquido

Presin mnima en la bombaTensin de vapor

Presin 0 absoluta

NPSH required

(m)

Q N Q

Fig. 11

NPSH necesario

Variacin tpica de NPSH necesario con caudalde la bomba.

de cavitacin en bombas con pocos labes. Lacurva NPSHr publicada por el fabricante de bom-bas debe en principio garantizar que la bomba nose daar si funciona por encima de dicha curva.Esto es especialmente el caso para bombas deaguas residuales que tienen pocos labes deimpulsor. El problema es que no existe ningnmtodo exacto para probar y establecer tal valorNPSH.

1.4.4 NPSH disponibleEl NPSH disponible indica la presin disponiblepara la aspiracin de la bomba durante las condi-ciones predominantes. Esto puede llamarse NPSHde la estacin de bombeo.

NPSH disponible =

El trmino ht es positivo cuando el plano de refe-rencia est por encima de la superficie del lquidoy negativo si est por debajo. El proyectista de laestacin de bombeo determina el NPSH disponi-ble.

La figura 13 muestra la tensin de vapor para aguaen funcin de la temperatura del agua.

La figura 14 muestra la presin atmosfrica enfuncin de la altura sobre el nivel de mar.

14

1 Teora de Bombeo

NPSH NPSHF (Cavitation free)

NPSHonset of noise

NPSHonset of material loss

NPSH0 (0% Head drop)

NPSH3 (3% Head drop)

Q

Fig. 12

Distintas curvas NPSH.

NPSHF (Sin cavitacin)

NPSH principio de ruidos

NPSH principio de prdida de material

NPSH0 (0% cada de presin)

NPSH3 (3% cada depresin)

Temp ( C) Head (m)

pvg

10010

10

20

30

40

50

60

70

80

90

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0,5

Fig. 13

Temp. (C) Altura (m)

Tensin de vapor para agua en funcin de la temperatura.

Barometric

Altitude km

m H2Opressure

Fig. 14

Presin baromtrica

Presin atmosfrica en funcin de la altura sobreel nivel de mar.

1.4.5 Margen de seguridad de NPSHNPSHdisponible>NPSHnecesario+ Margen de seguridad

El margen de NPSH debe ser suficiente para quepueda haber variaciones en una situacin dondelas condiciones reales pueden diferir de aquellascalculadas tericamente. Las prdidas de caudalen la tubera de aspiracin pueden estimarseincorrectamente y el punto de trabajo real de labomba puede ser distinto al terico debido avariaciones de la curva Q/H y clculos incorrectosde la resistencia de la tubera de impulsin. Puedeproducirse cavitacin daina antes de lo espera-do, o a valores NPSH superiores al NPSH3 (figura12). Variaciones tcnicas de fabricacin de laforma del borde delantero del labe puedeninfluir en el comportamiento de la cavitacin. Laforma de la tubera de aspiracin puede tambinafectar el NPSH necesario.

Un margen de seguridad de 1 a 1,5 m es adecuadopara bombas instaladas en posicin horizontalcon tuberas de aspiracin rectas.

Hay que fijar el margen de seguridad en 2 a 2,5 mpara bombas instaladas en posicin vertical,siempre que se utilice un codo reductor antes dela aspiracin de la bomba. El radio de la curvaturalongitudinal del codo debe ser por lo menos D1 +100 mm, donde D1 es el dimetro del orificio msgrande.

En la publicacin de EUROPUMP "NPSH PARABOMBAS ROTODINMICAS, GUA DE REFEREN-CIAS" (1977) se comentan en detalle el NPSH, mr-genes de seguridad y mtodos de medicin delNPSH.

1.4.6 Remanso de pozos de aspiracinPueden surgir situaciones en instalaciones realesdonde el nivel del lquido en la aspiracin sube y laaltura de la bomba disminuye de modo que elpunto de trabajo de la bomba se mueve a un sec-tor donde NPSHr > 10mm. No obstante, no se pro-ducir cavitacin, ya que el NPSHdisponible subirtambin y estar todava superior al NPSHnecesario.Instalaciones tpicas donde se produce esta situa-cin son el bombeo de drenaje de diques secos,situaciones de obstruccin de alcantarillas y bom-beo de drenaje con niveles de aspiracin variablesdel lquido.

15

Teora de Bombeo 1

2 Construccin de bombas

Esta seccin describe la construccin de las bom-bas sumergibles elctricas modernas. Se comen-tan distintos diseos y los componentes principa-les de las mismas, as como temas relacionadoscon su funcionamiento y mantenimiento. El estu-dio se limita a bombas de aguas residuales muni-cipales, drenaje y aguas brutas.

2.1 General

La bomba sumergible consta de una bomba y unmotor elctrico que forman una unidad cerrada,adecuada para instalacin sumergida en una fosahmeda que contiene el lquido de bombeo. Labomba sumergible puede conectarse a la tuberade impulsin con una conexin de descarga espe-cial en el fondo de la fosa hmeda para facilitar suinstalacin y desmontaje, o puede instalarseconectada mediante una manguera flexible uotros dispositivos a las tuberas de impulsin. Launidad recibe corriente mediante uno o mscables flexibles, suministrados con la bomba enlongitudes adecuadas para la instalacin.

Muchas bombas sumergibles pueden tambininstalarse en seco, al igual que las bombas con-vencionales. Este tipo de instalacin garantiza elfuncionamiento ininterrumpido de la instalacinen el caso de inundacin de la fosa seca.

Las bombas sumergibles estn disponibles paranumerosas aplicaciones con requisitos diferentesy se han desarrollado distintos diseos paranumerosas aplicaciones especiales.

Una bomba sumergible consta de un motorestanco y los componentes de bomba adecuados,que son el impulsor, la voluta de bomba y las pie-zas de conexin necesarias para diferentes alter-nativas de instalacin, incluyendo una ueta gua

16

2 Construccin de bombas

Fig. 15

Seccin de una bomba sumergible de 2,4 kWGRUNDFOS que muestra detalles de motor y bomba.La bomba lleva una ueta gua para utilizacin conuna conexin de descarga sumergida en la fosahmeda, facilitando su instalacin y desmontaje.

Fig. 16

Seccin de una bomba sumergible de 17 kWGRUNDFOS que muestra detalles de motor ybomba. La bomba lleva una ueta gua para utiliza-cin con una conexin de descarga en la fosa hme-da, facilitando su instalacin y desmontaje. La volu-ta de bomba es ajustable con tornillos de ajustepara mantener la holgura de la aspiracin delimpulsor.

para instalacin sumergida en una adecuadaconexin de descarga, un soporte para bombasporttiles y las bridas de conexin necesarias, unsoporte para bombas de instalacin en seco y ani-llos de asiento para bombas instaladas en colum-na.

El motor es un motor elctrico seco, tipo jaula deardilla, adecuado para una serie de componentesde bomba para distintos trabajos. El motor y labomba tienen un eje comn, con los cojinetes ycierres alojados en el motor. El motor lleva tam-bin entradas de cable estancas y un asa paralevantar la unidad.

La figura 15 muestra una pequea y modernabomba sumergible de aguas residuales y la figura16 una bomba sumergible de aguas residuales detamao medio. Las bombas sumergibles de aguasfecales estn disponibles con motores desdemenos de 1 hasta 500 kW para trabajos que vandesde uso porttil hasta instalaciones de bombeoprincipales de sistemas de alcantarillado de gran-des ciudades. La figura 17 muestra una bombasumergible para instalacin en seco.

17

Construccin de bombas 2

Seccin y dibujo de una bomba sumergible de 160 kW.Est prevista para instalacin horizontal en seco y seconecta con juntas de bridas integradas, tanto a latubera de aspiracin como a la de impulsin. Graciasal diseo sumergible no hay riesgo de daos de labomba en el caso de inundacin de la instalacin.

Fig. 17

a b c

S

SS

closed semi-open open

Fig. 18

Diferentes diseos de impulsor. El impulsor cerrado tiene paredes integrada a ambos lados de los labes,mientras que el impulsor semiabierto slo incorpora una pared en la parte trasera. Un impulsor abierto sloconsta de un eje central y labes, y depende de las holguras estrechas (s) a la voluta de la bomba para sufuncin.

cerrado abierto abierto

2.2 Bomba

La bomba consta de impulsor y voluta, as comoequipo auxiliar y accesorios.

2.2.1 ImpulsoresLas bombas sumergibles tienen varios diseos deimpulsor, dependiendo del uso previsto. Losimpulsores pueden clasificarse como

impulsores para bombas de aguas residualesimpulsores para bombas trituradorashlices para bombas axiales

Pueden tambin clasificarse segn su construc-cin como impulsores cerrados, semiabiertos oabiertos. Estn ilustrados en la figura 18. Losimpulsores semiabiertos y abiertos dependen dela holgura entre impulsor y voluta (aprox. 0,5mm). Su rendimiento es muy sensible al desgastey disminuye rpidamente al aumentar la holgura.La figura 19 muestra el efecto del desgaste enimpulsores cerrados y abiertos sobre el rendi-miento de la bomba. Los impulsores abiertos ysemiabiertos son tambin susceptibles a atascosde impurezas entre el impulsor y la placa de aspi-racin, reduciendo la velocidad de la bomba oparndola.

Impulsores para bombas de aguas resi-dualesPara evitar que se obstruya o atasque la bomba, sehan desarrollado impulsores especiales para bom-bear aguas residuales. Constan de impulsoresmonocanal, de 2 canales y vortex. Los principiosdel diseo estn ilustrados en la figura 20. Parabombas muy grandes de aguas residuales puedentambin utilizarse impulsores con muchos labes.

Paso libreEl concepto de paso libre es de especial relevanciapara las bombas de aguas residuales. Se refiere asu capacidad de permitir el paso de slidos a tra-vs del lquido bombeado, y por lo tanto a sus

18

2 Construccin de bombas

Winglets

Counterweights

Vortex impeller 1-channel impeller 2-channel impeller

Closed Impeller

Open Impeller

Operating time

Fig. 19

Fig. 20

Resultados de prueba de una comparacin del efecto del des-gaste sobre el rendimiento de una bomba para distintos tiposde impulsor.

Impulsor cerrado

Impulsor abierto

Tiempo de funcionamiento

Aletas

Impulsor Vortex Impulsor monocanal Impulsor de 2 canales

Contrapesos

Tipos de impulsor para bombas de aguas residuales.

caractersticas contra atascos. La dimensin delpaso libre se refiere normalmente al mayor objetoesfrico que puede atravesar el impulsor y los ori-ficios de la voluta. Si el paso libre est descrito condos nmeros se refiere al mayor objeto oblongoque puede atravesar la bomba.

La capacidad de funcionar sin atascos est muyrelacionada con el paso libre, como puede verse eldiagrama de la figura 21. Para bombas pequeas yde tamao medio, un paso libre de 80 mm es nor-malmente suficiente para aguas residuales bru-tas. En bombas mayores (caudal >100 l/s) el pasolibre mnimo debe ser de 100 mm.

El paso libre en s no garantiza que unas buenascaractersticas contra atascos. La geometra delimpulsor y labe debe tambin tener unas carac-tersticas que eviten obstrucciones. Bombas dediferentes fabricantes tienen calidades variablesen este aspecto. En algunos casos se ha soluciona-do un problema de atascos, cambiando a otramarca de bomba, incluso con bombas que tenganlos mismos pasos libres, el mismo nmero de la-bes y la misma velocidad. La tendencia de lasaguas residuales a obstruir las bombas puedevariar de un lugar a otro, con estaciones de bom-beo "fciles" y "difciles". El diseo de la canaliza-cin del alcantarillado que conduce a la estacinde bombeo es importante para la funcin de lasbombas, ya que stas deben poder manejar cual-quier aglomeracin de slidos que se genera all.Las condiciones reales en sistemas de aguas resi-duales no pueden simularse en laboratorios y lasbuenas caractersticas de las bombas de aguasresiduales GRUNDFOS contra atascos estn basa-das en una larga experiencia en este campo.

Impulsores monocanalLa figura 22 muestra un impulsor monocanal. Ellabe sencillo est diseado lo ms largo posiblepara conseguir el rendimiento ptimo dentro delos lmites fijados por el requisito de paso libre. Elimpulsor que tiene un solo sitio de paso del lqui-do de bombeo, garantiza unas buenas caracters-ticas inherentes contra atascos. La forma asim-trica exige que el impulsor incluya contrapesosintegrados para el equilibrio. El rendimiento mx.alcanzable es del 70 - 75 %.

19

Construccin de bombas 2

Clogging probability

Free passage (sphere) [mm]

40 60 80 100 120

Fig. 21

El diagrama muestra la relacin entre la probabilidad deatascos y el paso libre de las bombas. Se consigue una buenaseguridad contra atascos con un paso libre de 80 mm.

Probabilidad de atascos

Paso libre (esfera) (mm)

Impulsor monocanal S-1 GRUNDFOS para aguas resi-duales. Tiene diseo semiaxial con un labe continuolargo que garantiza unas buenas caractersticas con-tra atascos. El diseo asimtrico exige que el moldea-do incluya contrapesos para facilitar el equilibradoesttico y dinmico del impulsor.

Fig. 22

Impulsores de dos canalesLa figura 23 muestra un impulsor de dos canales.La dificultad inherente con impulsores de doscanales es que impurezas fibrosas largas puedenentrar en ambos canales y quedar atrapadas porlos bordes delanteros del labe, atascando labomba. Esta situacin puede mitigarse con unbuen diseo del borde delantero del labe, lo queslo puede conseguirse mediante un trabajo dedesarrollo en condiciones reales en estaciones debombeo difciles. Con un diseo correcto y unpaso libre de al menos 100 mm, los impulsores dedos canales pueden disearse para manejar aguasresiduales brutas sin atascos. El rendimiento mx.alcanzable es del 80 - 85% para impulsores de 2canales.

Impulsores de tres y cuatro canalesEn bombas muy grandes pueden utilizarse impul-sores de tres o cuatro canales y an as tener unpaso libre de al menos 100 mm y un impulsor conbuenas caractersticas contra atascos. El diseodel borde delantero del labe es tambin decisivopara estos impulsores. El rendimiento mx. alcan-zable es del 82 - 86% para estos impulsores.

Impulsores VortexEl principio del impulsor vortex es la formacin deun fuerte remolino en la voluta abierta de labomba. El bombeo de una bomba vortex es por lotanto indirecto, estando el impulsor fuera del cau-dal principal del lquido. Las bombas de impulsorvortex tienen unas excelentes caractersticasinherentes contra atascos, y su funcionamiento esmuy suave. La utilizacin de bombas pequeas deimpulsor vortex para aguas residuales estaumentando considerablemente durante los lti-mos aos gracias al mejor diseo y rendimiento.Se utilizan tambin como bombas de separacinde arena en plantas de tratamiento de aguas resi-duales. La figura 24 muestra un impulsor vortex.El rendimiento mx. alcanzable es de aprox. un50% para impulsores vortex. Es importante recor-dar que el rendimiento de bombas vortex a cau-dales de 3 -15 l/s es casi igual al de bombas mono-canal.

Gamas de caudal y altura (Q/H) para dife-rentes tipos de impulsores y bombassumergiblesLa figura 25 muestra las reas de aplicacin tpicasde diferentes tipos de bombas de aguas residua-les e impulsores de la gama GRUNDFOS. Puedeverse que al aumentar el caudal y el tamao debomba, el nmero de labes del impulsor aumen-ta tambin. El diagrama muestra tambin el reaQ/H, para el cual existen bombas sumergiblespara aplicaciones de aguas residuales. La bombams grande de la gama GRUNDFOS tiene unmotor de 520 kW.

20

2 Construccin de bombas

Fig. 23 Fig. 24

Impulsor de 2 canales S-2 GRUNDFOS. Se consiguenunas buenas caractersticas contra atascos con bordesdelanteros del labe rebajados y diseo semiaxial. Eldiseo simtrico est inherentemente equilibrado.

Impulsor SuperVortex GRUNDFOS. El diseo incluyealetas de labe patentadas. Las aletas impiden la for-macin de remolinos secundarios por encima de losbordes del labe, mejorando considerablemente elrendimiento de bombeo.

21

Construccin de bombas 2

Vortex 1-channel 3-channel 4-channel2-channel

Fig. 25

Fig. 26

Gamas de caudal y altura (Q/H) para diferentes tipos de impulsor.

Bombas trituradoras GRUNDFOS. La unidad de corte es de acero inoxidable endurecido.

1 canal 2 canales 3 canales 4 canales

Impulsores para bombas trituradorasSe han desarrollado bombas trituradoras para ins-talaciones con cantidades muy pequeas deaguas residuales. Aplicaciones tpicas son estacio-nes de bombeo para casas unifamiliares, peque-as explotaciones o zonas de camping. El caudalnecesario es muy pequeo, a veces menos de 1 l/s,pero la altura total puede ser grande debido atuberas de impulsin largas y estrechas. El caudalde una bomba trituradora es tpicamente de 1 - 5l/s, con alturas hasta 50 m.

En las bombas trituradoras los slidos son desme-nuzados en pequeos trozos de unos 10 mm, loque permite utilizar tuberas de impulsin depequeas dimensiones, normalmente DN 40 - DN80. Para caudales muy pequeos de estaciones debombeo individuales pueden utilizarse tuberasincluso ms pequeas, con el fin de conseguir unavelocidad del caudal de al menos 0,5 m/s.

Las bombas trituradoras no deben utilizarse paraaguas residuales que contengan arena, ya que launidad de corte es muy sensible al desgaste.Cuando se plantea su utilizacin para instalacio-nes grandes con varios edificios, se recomiendahacer siempre una comparacin tcnica y econ-mica con una solucin basada en bombas conven-cionales.

La figura 26 muestra una bomba trituradoraGRUNDFOS. Una unidad de corte con cuchillasafiladas est instalada por fuera del impulsor. Launidad de corte es de acero inoxidable endureci-do.

Hlices para bombas axialesMuchos fabricantes de bombas han desarrolladobombas axiales que montan motores sumergiblesde bombas de aguas residuales. La figura 27muestra una bomba de caudal axial GRUNDFOScon hlice de paso regulable. El diseo incorporalabes de bordes posteriores fijos que transfor-man el movimiento giratorio del agua en energade presin, aumentando el rendimiento de labomba. Las bombas de hlice se instalan normal-mente en columna.

Se utilizan para aguas pluviales y bombeo deaguas de inundaciones, drenaje, riego y bombeode aguas brutas, as como bombeo de efluentesen plantas de tratamiento de agua. No son ade-

cuadas para aguas residuales sin tratar debido alriego de atascos. Las bombas de hlice pequeas yde tamao medio no son adecuadas para el bom-beo de circulacin interna en plantas de trata-miento de aguas residuales, por ejemplo reflujode lodos, ya que pueden atascarse y agarrotarsedebido a las fibras que hay en estos lquidos. Elrendimiento mx. alcanzable para bombas dehlice es del 75 - 85%.

La gama de funcionamiento (rea Q/H) de lasbombas de hlice GRUNDFOS est indicada en lafigura 28. Parte de la gama est tambin cubiertapor bombas de impulsor de canal para instalacinen columna, que pueden ser la eleccin ms ade-cuada para muchas aplicaciones. La eleccin finalentre las distintas bombas debe basarse en elpunto de trabajo deseado y la aplicacin. Cuandose trata de procesos de seleccin para proyectosdifciles debe consultarse con el fabricante debombas.

22

2 Construccin de bombas

Fig. 27

Bomba de hlice GRUNDFOS. El ngulo de lapala es ajustable para conseguir el rendimientoptimo.

Como muestra la figura 29, se han desarrolladobombas axiales especiales para el bombeo derecirculacin en plantas de tratamiento de aguasresiduales. Estn previstas para funcionar a muypoca altura, slo 0,3 -1,0 m, y gran caudal, hasta2000 l/s. Gracias al diseo son inatascables, conlas paletas inclinadas hacia atrs, gran holgura (10mm) entre las puntas de las paletas y la voluta ysin labes delanteros. El rendimiento mx. alcan-zable para bombas circuladoras axiales es del 35 -50%. La prdida de caudal en la salida del mangui-to es significativa para la altura. Si se utiliza unmanguito cnico pueden conseguirse ms alturay reducirse las prdidas.

23

Construccin de bombas 2

10

0 100 200 500 1000 2000 4000 5000

8

6

4

2

0

Fig. 28

Fig. 29

Gama de caudal y altura (Q/H) de bombas de hlice GRUNDFOS.

Bomba sumergible de recirculacin para una plantade tratamiento de aguas residuales. La bomba sebaja a su sitio mediante barras gua.

labes auxiliares del impulsorLos labes auxiliares del impulsor en la parte exte-rior de las paredes son una caracterstica impor-tante de los impulsores de las bombas pequeasde aguas residuales. Aumentan la velocidad delflujo del lquido en la holgura entre impulsor yvoluta. La figura 31 muestra la ubicacin de loslabes auxiliares en un impulsor monocanal.

Los labes auxiliares participan en el funciona-miento de la bomba, realizando las siguientesfunciones:

Disminuyen las cargas axiales en los cojinetes, especialmente si se utilizan impulsores semia-biertosReducen el desgaste del impulsor y voluta en laholgura de la aspiracinImpide la acumulacin de fibras en la holgurade la aspiracinImpiden que fibras y jirones se enrollen alrede-dor del eje de la bomba por detrs del impulsor.

En impulsores grandes no pueden utilizarse la-bes auxiliares que lleguen hasta el permetro de lapared, ya que a grandes caudales causaran unacada de presin por debajo de la tensin de vapordel lquido, ocasionando cavitacin. No obstante,las bombas grandes son menos propensas a atas-carse debido al alto par motor. Por lo tanto, losimpulsores grandes no llevan labes auxiliares enla entrada.

Holgura de la aspiracinLa holgura entre impulsor y voluta debe ser lo mspequea posible, con el fin de reducir las prdidaspor fugas. Es del orden de 0,5 -1,0 mm para lamayora de las bombas centrfugas. Su diseopuede ser cilndrico o axial, tal como muestran lasfiguras 32 y 33.

24

2 Construccin de bombas

Auxiliary

Pressure distribution

Pressure distribution

ps

p's

S

with auxiliary vanes

without auxiliary vanes

vanes

Fig. 30 Fig. 31

Bomba recirculadora GRUNDFOS

labes auxiliares

Distribucin de presincon labes auxiliares

Distribucin de presin sinlabes auxiliares

El efecto de los labes auxiliares en la pared de la aspiracines una menor diferencia de presin ps en la holgura de la

aspiracin. Con menos reflujo, la holgura de la aspiracindurar ms tiempo y se reduce el riesgo de atascos.

El funcionamiento y rendimiento de una bomba alo largo del tiempo dependen del mantenimientode la holgura de la aspiracin dentro de los lmitesespecificados. El efecto reductor de la holgura dela aspiracin sobre el rendimiento y altura de labomba puede calcularse mediante la siguienteecuacin emprica:

donde

Q = caudal (l/s)H = altura (m)s = holgura (mm)

y H son proporcionales.

Para impulsores semiabiertos el efecto aumentacon el factor 1,5.

La figura 34 muestra los resultados de una pruebadonde la bomba funcionaba con holguras de laaspiracin variables.

Si la holgura aumenta hasta 2 - 3 mm para impul-sores sin labes auxiliares y hasta 4 - 5 mm paraimpulsores con labes auxiliares, hay que recupe-rarla para mantener el funcionamiento de la

25

Construccin de bombas 2

s = 1 mm

806040

200

806040

200

100

0 100 200 300 400 500 600

Fig. 32

Fig. 33

Fig. 34

Holgura cilndrica de la aspiracin. El diseo es pro-penso a atascos, ya que las fibras que quedan atra-padas en la holgura entre impulsor y voluta puedenacumularse y retener la bomba. Si hay desgaste, elanillo de desgaste en la tapa de la aspiracin y elimpulsor deben cambiarse o remecanizarse.

Holgura axial de la aspiracin. El diseo es menospropenso a atascos, ya que fuerzas de arrastre move-rn el material agarrotado hacia la aspiracin de labomba. La holgura puede hacerse ajustable parafacilitar el mantenimiento y compensar el desgaste.

Efecto de diferentes dimensiones de la holgura de laaspiracin sobre la curva y rendimiento de la bomba.

bomba. Si la holgura es ajustable, este procedi-miento lo realizan fcilmente los tcnicos in situ,mientras que una bomba con holgura fija de laaspiracin del impulsor tendr que ser revisada enel taller o, lo que es peor, desmontada con costeselevados de repuestos y mano de obra.

En bombas con holgura axial ajustable de la aspi-racin siempre puede garantizarse el funciona-miento, controlando y ajustando la holguradurante el mantenimiento rutinario. La figura 35muestra el diseo de una bomba sumergible,donde la holgura de la aspiracin est ajustadacon ayuda de tres tornillos de ajuste.

Grundfos ha desarrollado un diseo patentado(SmartTrim) para bombas de instalacin en seco,que permite ajustar y recuperar la holgura de laaspiracin, sin necesidad de sacar la bomba oabrir las conexiones de las tuberas. El ajuste noafecta las conexiones de las tuberas y no es nece-sario realinearlas. La figura 36 muestra el princi-pio. Para realizar el ajuste se cierra primero la hol-gura y a continuacin se retroceden los tornillosde ajuste 1 mm. Despus se aprieta la tapa de laaspiracin contra los tornillos de ajuste con lospernos de fijacin.

El margen de ajuste en las bombas Grundfos es de10 - 15 mm, dependiendo del tamao de bomba. Elajuste est dimensionado para durar mientrasdure el impulsor.

Conexin del impulsorLa conexin del impulsor en el eje debe ser segu-ra, as como fcil de desmontar. Hay que sacarlapara el mantenimiento del cierre y para cambiar elimpulsor si la bomba se utiliza para materiales debombeo abrasivos. El impulsor puede tener unajunta cilndrica o cnica en el extremo del eje.

Una junta del eje reducida al ngulo correcto esfcil de desmontar. La junta cnica se aprieta adi-cionalmente con un tornillo, por lo que queda rgi-da e inmvil.

La junta est enchavetada para transmisin delpar. Un montaje slido del impulsor es funda-mental para la seguridad de funcionamiento de labomba y hay que tener siempre mucho cuidado aldesmontar el impulsor. Se recomienda utilizarsiempre una llave torsiomtrica para ajustar eltornillo del impulsor. El fabricante de bombasfacilita informacin correcta respecto al par deapriete y posibles recomendaciones de lubricantepara tornillos en cada caso.

26

2 Construccin de bombas

Fig. 35

Sistema de ajuste de la holgura de la aspiracin contres tornillos de ajuste.

Fig. 36

Sistema de ajuste externo de la holgura de la aspira-cin de bombas instaladas en seco.

2.3 Motores

2.3.1 GeneralLos motores de las bombas sumergibles sonmotores elctricos del tipo de jaula de ardilla,bobinados para corriente normal alterna trifsicao monofsica. Los motores monofsicos sloestn disponibles para bombas pequeas (2 kW omenores). Los motores estn disponibles para 50 60 Hz y varias tensiones. Estn construidos parafuncionamiento sumergido, Clase IP 68 segn IEC.Las caractersticas elctricas de los motoressumergibles estn descritas detalladamente msadelante en este libro.

La bomba sumergible es una combinacin fija deun motor y una bomba con eje y cojinetes encomn. El motor tiene una conexin directa a labomba, y algunos de los componentes de labomba, tales como la tapa de la voluta, puedenestar integrados con la brida de conexin delmotor. Para conseguir unos resultados ptimos,la bomba y el motor estn diseados juntos por elmismo fabricante, siendo el tamao del motorapto para una serie de componentes de bombapara diferentes trabajos y gamas de funciona-miento. Las secciones de motor y bomba han sidoseleccionadas y diseadas para eliminar sobrecar-gas en cualquier punto de trabajo en la curva de labomba.

Los motores sumergibles estn normalmente lle-nos de aire. Los motores pequeos (1,5 kW ymenos) se hacen tambin llenos de aceite. El acei-te, que se utiliza tambin en transformadores, esde baja viscosidad, con el fin de mantener las pr-didas por friccin del rotor lo ms pequeas posi-ble. Los fabricantes no hacen motores ms gran-des llenos de aceite debido a las crecientes prdi-das y el menor rendimiento. Al tener menos pie-zas, motores llenos de aceite son ms baratos quemotores llenos de aire.

2.3.2 Motores antideflagrantesLas bombas sumergibles estn disponibles en ver-siones antideflagrantes para utilizacin en entor-nos donde el lquido de bombeo o la atmsferadel entorno puede contener gases explosivos. Estacircunstancia puede darse por ejemplo en empre-sas petroqumicas o cerca de ellas, pero otroslugares puede tambin definirse como explosivos,si as se considera necesario por motivos de segu-ridad.

El principio de los motores antideflagrantes es suseguridad contra la ignicin de atmsferas poten-cialmente explosivas. Las dos siguientes solucio-nes tcnicas alternativas estn disponibles paracubrir el requisito:

El motor est diseado para que la proteccinpueda soportar cualquier llama explosiva inter-na e impedir su propagacin a los alrededoresexplosivos. Esto se llama Clase D.El motor est diseado para que no puedanaparecer chispas o temperaturas altas dentrodel motor. Esto se llama Clase E.

Un motor antideflagrante est diseado y cons-truido segn las normativas fijadas por organis-mos reguladores internacionales (por ejemploEuronorm 50014 y 50019). Los requisitos paramotores de la clase D estn detallados, incluyen-do entre otros la seleccin y dimensionamiento demateriales de construccin, tolerancias de diseoy fabricacin de la junta de voluta, utilizacin delvolumen interior del motor, as como la resisten-cia de la estructura y remaches. El requisito esen-cial de las juntas es que las superficies de contac-to tienen que ser ms largas, ya que supuesta-mente sirven de aberturas de "extincin". La certi-ficacin y homologacin de un diseo estn siem-pre sujetas a extensas pruebas, donde se determi-na la capacidad real de soportar explosiones inter-nas.

Los motores antideflagrantes de la clase E nonecesitan grandes modificaciones estructurales,pero se prueba la subida de la temperatura inte-rior a ciertas cargas. Tambin deben impedirsechispas interiores mediante distancias adecuadasentre las partes giratorias y las estacionarias.

Los motores antideflagrantes estn habitualmen-te basados en los diseos estndar del fabricantey son un complemento de stos. Normalmente nose cambian las caractersticas de potencia y laspartes de bomba son comunes para ambos. Losrequisitos estructurales de los motores antidefla-grantes significan que son ms caros que losmotores normales.

2.3.3 Refrigeracin del motorLas prdidas mecnicas y elctricas en el motor seconvierten en calor que debe disiparse. En unmotor sumergible normal (ver figura 38) el calorse transfiere del alojamiento del estator al lquidopor inmersin. Para la refrigeracin es normal-mente suficiente que el motor est sumergido

27

Construccin de bombas 2

hasta aproximadamente su mitad. El nivel dellquido puede mediante bombeo bajarse del tododurante periodos breves sin riesgo de sobrecalen-tar el motor.

De hecho, un motor que funciona en el agua deesta forma se enfra muy eficazmente, ya que larefrigeracin continua despus de la parada delmotor. Por lo tanto los motores sumergibles pue-den arrancar y parar con frecuencia, lo que favore-ce el diseo de las instalaciones de bombeo.

Temperatura permitida del aguaLa refrigeracin de los motores sumergiblesdepende del lquido bombeado, sea por inmersinu de otra forma. Por lo tanto, la temperatura delagua es esencial. Los motores estn normalmentedimensionados para lquidos de +40C. Puedenaceptarse temperaturas de lquido superiores,pero hay que consultar con el fabricante respectoa la seleccin de bomba. Para temperaturas supe-riores el riesgo de cavitacin debe tambin eva-luarse con un anlisis del NPSH, debido al mayortensin de vapor del lquido.

Refrigeracin de motores sumergibles eninstalaciones en secoMuchos motores sumergibles se instalan en secopor varios motivos. Hay que garantizar una refri-geracin adecuada de estos motores, lo quepuede hacerse de varias formas:

Con una camisa de refrigeracin que cubre elmotor o partes del mismo. Parte del lquido bom-beado es desviado a travs de canales desde lavoluta de bomba hasta la camisa de refrigeracindonde recircula cuando la voluta est llena. Elagua entra en el espacio por detrs del impulsor atravs de una holgura de filtracin (aprox. 0,5mm) y es circulada por los labes auxiliares en laparte posterior de la pared alrededor del aloja-miento del estator del motor dentro de la camisa.El exceso de calor pasa al agua mediante convec-cin forzada, garantizando una eficiente refrige-racin. La figura 37 muestra el principio. La utiliza-cin de una holgura de filtracin y canales derefrigeracin lo suficientemente anchos hangarantizado que el sistema sea inatascable tam-bin en la prctica. La camisa de refrigeracin esmuchas veces opcional en bombas pequeas y detamao medio para instalacin en seco, mientrasque las bombas muy grandes llevan con frecuen-cia una camisa de refrigeracin como estndar,independientemente del mtodo de instalacin.

En algunos casos, cuando el lquido bombeado esinadecuado para circulacin en la camisa de refri-geracin, puede utilizarse refrigeracin externadel agua. En dichos casos la bomba se modificacon conexiones externas de agua en la camisa,taponando los canales de entrada desde la voluta.Un circuito de seguridad es necesario para prote-ger la bomba contra sobrecalentamiento debido ala interrupcin del suministro externo de aguarefrigerante.

Con paredes gruesas del alojamiento del estator.Este diseo, adecuado para bombas sumergiblespequeas, utiliza un alojamiento ensanchado delestator que lleva el calor desde el estator hasta ellquido bombeado. En esta construccin la bridadel alojamiento del estator puede llegar en con-tacto directo con el lquido o mediante la brida dela tapa de la cmara de aceite. La brida puededisearse con una rebajo o canal para lograr buencontacto con el lquido. El alojamiento del estatorpuede tambin ser de aluminio en bombas insta-ladas en seco para aumentar todava ms la ter-modisipacin. La figura 38 muestra la construc-cin.

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2 Construccin de bombas

Bomba sumergible GRUNDFOS instalada en seco concamisa de refrigeracin del motor. Parte del lquidobombeado es filtrado a travs de una holgura de aprox.0,5 m y sigue recirculando en la camisa de refrigera-cin, la cual circula por la accin de bombeo de los la-bes auxiliares de la pared posterior del impulsor. Seproporciona una eficiente refrigeracin mediante ter-modisipacin desde el estator al lquido de bombeo.

Fig. 37

Cuando se trata de bombas instaladas en seco,slo una camisa de refrigeracin ofrece una refri-geracin del motor igual o incluso superior a lainmersin. Puede ser necesario disminuir lapotencia de otros motores para instalaciones enseco, limitando la seleccin de componentes debomba de la correspondiente gama.

Con un circuito interno de refrigeracin, donde unlquido refrigerante, por ejemplo glicol, es circula-da por un impulsor pequeo separado en el ejedel motor de la bomba. La bomba incorpora unintercambiador de calor entre el cuerpo de bombay el motor, donde el lquido refrigerante liberacalor al lquido bombeado. La complejidad del sis-tema puede plantear problemas.

2.3.4 Estanqueidad del motorLa entrada de agua en el motor ocasiona conti-nuamente daos o, si se detecta con dispositivosde seguridad, por lo menos la parada de la bombaPor consiguiente, el requisito principal y un aspec-to del diseo de los motores sumergibles es laintegridad completa contra fugas. Se garantiza laestanqueidad del motor mediante un buen dise-o y control constante de la calidad, incluyendopruebas durante la fabricacin.

Todas las juntas de los motores sumergibles estnmecanizados para ajustarse y se utilizan juntastricas en todas partes. Para garantizar la estan-queidad se cambian cada vez que se abre unajunta para el mantenimiento.

La entrada del cable elctrico al motor debe sertotalmente hermtica. Un buen diseo utilizaarandelas de goma comprimible, que se adaptantanto al cable como al rebaje de entrada. Al mon-tar la arandela, la forma de las piezas de adapta-cin la comprime a la estanqueidad preestableci-da. Una abrazadera de cable por fuera del selladosoporta todas las cargas de tensin exteriores delcable, evitando tirantez en el cierre.

La posibilidad de entrada de agua a travs delcable es una realidad. Si puede sumergirse elextremo libre del cable, el agua puede moversemediante accin capilar entre los hilos de cobre delos avances al motor. Esta accin incrementacuando la temperatura del motor cambia y elagua puede as entrar en un motor que por lodems est intacto. Esta situacin puede produ-cirse en bombas nuevas que han estado almace-nadas en la intemperie antes de la instalacin,con el extremo de cable libre sin proteccin.

La mayora de los fabricantes suministran susbombas con proteccin en los extremos de cablelibres. Llevan etiquetas que advierten a los alma-ceneros e instaladores del peligro de sumergir elextremo de cable libre.

Se necesitan conocimientos y herramientas espe-ciales para garantizar la estanqueidad de unmotor sumergible, por lo que se recomiendaenviar la bomba a un taller autorizado cuandohaya que repararla. Los fabricantes de bombasproporcionan informacin y herramientas espe-ciales a sus clientes. Para propietarios de muchasbombas sumergibles puede garantizarse un talleroficial propio.

Cierres del ejeEl cierre, que proporciona seguridad contra fugasdel lquido bombeado al motor, es uno de los com-ponentes ms importantes de una bomba sumer-gible.

Las bombas sumergibles modernas utilizan casiexclusivamente un sellado del eje con dobles cie-rres mecnicos, separados por una cmara rellena

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Construccin de bombas 2

Bomba sumergible GRUNDFOS adecuada para instala-cin en seco o sumergida. La seccin inferior con paredgruesa del motor sirve de conducto de calor al lquidobombeado. El alojamiento del estator puede ser de alu-minio para que el efecto sea todava mayor.

Fig. 38

de aceite. Este arreglo, desarrollado y perfecciona-do a lo largo de los aos, proporciona una protec-cin adecuada contra fugas y daos del motor enla mayora de los casos.

La figura 39 muestra un arreglo de cierre mecni-co utilizado en bombas sumergibles. Hay un cierreinferior o primario, y un cierre superior o secunda-rio.

Los cierres, que estn separados por un bao deaceite, funcionan en diferentes condiciones. Estose refleja en su construccin con materiales dife-rentes. Ambos cierres tienen dos anillos de con-tacto deslizantes, un estacionario y uno que giracon el eje. Los anillos son presionados el uno con-tra el otro por la fuerza elstica y los anillos delcierre primario adems por la presin de labomba.

El sellado entre los anillos deslizantes est basadoen sus superficies de contacto extremadamentelisas y planas. Las superficies tienen un contactotan estrecho que ninguna fuga, o slo una fugamuy pequea puede pasar entre ellas. La planei-dad y homogeneidad de los anillos estn en lamagnitud de 0,0005 mm y las caras estn acaba-das mediante lapeado. Los anillos deslizantes cie-rran contra el asiento estacionario o eje con juntastricas. El material de las juntas tricas ha sidoelegido elegida para soportar temperaturas altasy la accin corrosiva y disolvente del aceite del cie-

rre, as como las impurezas en el lquido bombea-do.

Ranuras en los anillos deslizantes estacionariosdel cierre primario evitan que giren en el asiento.Los anillos giratorios estn inmovilizados deforma similar con uas de arrastre. Clips de mue-lle o arandelas mantienen los anillos estaciona-rios en sus asientos durante situaciones anmalasde presin.

El material de las caras del cierre primario es nor-malmente duro, debido a la accin abrasiva dellquido bombeado. El material utilizado hoy en daes carburo de silicio (SiC), que tiene una durezacerca de 2000 en la escala de Vicker, casi igual queel diamante. Los anillos de carburo de silicio pue-den ser slidos o convertidos. Los anillos de carbu-ro convertidos estn sinterizados a SiC a una pro-fundidad de aprox. 1 mm, dejando el anillo inte-rior intacto. SiC tiene tambin muy buena resis-tencia contra la corrosin y puede utilizarse entodas las aplicaciones de aguas residuales y dre-najes.

Si el cierre secundario es lubricado con aceitepuede utilizarse una combinacin de materiales.Un anillo estacionario de un material ms blandocon buenas caractersticas de friccin, combinadocon un anillo giratorio duro, proporciona pocaresistencia de giro del cierre. La lubricacin conaceite protege el cierre contra el desgaste. Losmodernos cierres secundarios tienen normalmen-te caras de carburo de silicio y carbono.

Las modernas bombas sumergibles utilizan cie-rres mecnicos, diseados para un fin determina-do. Casi la mayora de los fabricantes han desarro-llado buenos diseos. La figura 40 muestra undiseo patentado que combina un cierre primarioy uno secundario.

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2 Construccin de bombas

Doble cierre mecnico GRUNFDOS con cierres secun-dario y primario.

Fig. 39

Todos los cierres mecnicos utilizados en bombassumergibles deben permitir el giro en ambos sen-tidos, ya que las bombas arrancan a menudo ensentido contrario o pueden volverse hacia atrspor el reflujo del agua en instalaciones sin vlvu-las de retencin.

Todas las bombas sumergibles con dobles cierresmecnicos tienen una cmara con aceite entre loscierres. El aceite realiza las siguientes funcionesvitales para los cierres y la bomba:

Lubricacin de los cierres, especialmente elsecundarioRefrigeracin de los cierresEmulsionamiento de posibles fugas de agua,por lo que resultan menos dainosControl del estado del cierre. Al controlar elaceite del cierre durante el mantenimiento sepuede estimar el estado del cierre y nmero defugas.

Hay que evitar de sobrellenar la cmara de aceitedel cierre para que el aceite pueda absorber elagua de fugas por emulsionamiento e impediruna posible sobrepresin debida a termodilata-cin del aceite. El fabricante proporciona informa-cin de la cantidad de aceite y mtodos de llena-do y control.

En aplicaciones especiales, donde el lquido bom-beado contiene materiales muy finos, el cierre pri-mario puede abrirse a consecuencia de materialacumulado en las caras del anillo deslizante. Endichos casos puede ser necesario hacer arreglospara lavar el cierre externamente de forma conti-nua. El fabricante y el cliente consideran siempreestas instalaciones por separado para cada caso.

La esperanza de vida de un cierre mecnico nopuede determinarse tericamente, ni siquieramediante pruebas de laboratorio. Es tambin dif-cil predecir el funcionamiento con el paso deltiempo. La vida de los cierres vara mucho de uncaso a otro, de unos pocos aos a ms de 15.

2.3.5 Cojinetes del motor

Cargas de los cojinetesLos cojinetes de las bombas sumergibles llevan lacarga combinada de bomba y motor aplicada enel eje comn. Las siguientes fuerzas actan en loscojinetes, radial o axialmente:

fuerza hidrodinmica radialfuerza hidrodinmica axialfuerza magntica radialpeso de las partes giratorias

Las fuerzas significativas que actan en los cojine-tes son las hidrodinmicas.

La fuerza hidrodinmica radial es el resultado dela distribucin de presin en el permetro delimpulsor en varias posiciones relativas a la volutade bomba. La fuerza radial depende de varios fac-tores de diseo, as como del punto de trabajo dela bomba.

La fuerza hidrodinmica axial es el resultado delas fuerzas inducidas por el impulsor que desvanel caudal de la aspiracin axial a la descargaradial, as como de la diferencia de presin entre ellado de aspiracin y el de presin del impulsor. Lafuerza axial est muy relacionada con el caudal ypunto de trabajo de la bomba.

CojinetesSe utilizan cojinetes de rodillos en todas partes delos motores de bombas sumergibles. Los cojinetesde bolas se utilizan debido a su capacidad desoportar tanto las cargas axiales como las radia-les. En motores muy grandes se utiliza una combi-nacin de cojinetes de bolas y de rodillos debido a

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Construccin de bombas 2

Doble cierre mecnico integrado GRUNDFOS.

Fig. 40

las grandes fuerzas sobre los componentes.

Para permitir termodilatacin del eje y toleranciasde fabricacin, el cojinete superior del eje puedetener movimiento axial, mientras que el eje infe-rior est inmovilizado axialmente.

La seleccin de cojinetes se rige por normativasinternacionales respecto a su duracin. Segn lanorma ISO 5199, "Bearing rating life (B10)" debendurar al menos 17500 horas.

Los cojinetes de las bombas sumergibles se lubri-can normalmente de por vida en la fbrica debombas, utilizando una grasa especial, adecuadapara las altas temperaturas de funcionamientopermitidas en motores sumergibles.

2.3.6 Dispositivos de proteccin de motorLos motores sumergibles llevan varios dispositivosde proteccin para evitar daos ocasionados porlos siguientes motivos:

sobrecalentamientoentrada de aguafallo del cierrefallo del cojinetedeterioro del aislamiento del bobinado

Algunos dispositivos de proteccin son estndar,mientras que otros slo estn disponibles comoequipo adicional bajo pedido. Las bombas gran-des necesitan mejores dispositivos de proteccindebido a su mayor valor econmico.

Los dispositivos de proteccin pueden dividirse endispositivos internos con sensores dentro delmotor y dispositivos externos en el panel de con-trol del motor.

Dispositivos de proteccin internosLos siguientes dispositivos de proteccin se mon-tan dentro del motor:

Trmicos en los bobinados del estator. Son nor-malmente interruptores bimetlicos pequeosque abren a una temperatura fija preajustada,ver la figura 41. Se utilizan tres interruptores,uno en cada fase, en los motores trifsicos.Estn conectados en serie en el circuito de con-trol, que est cableado para parar el motorcuando se abre. Despus de enfriarse, los inte-rruptores se rearman y cierran el circuito,pudiendo rearrancarse la bomba. Los trmicosen los bobinados protegen el motor contra

sobrecalentamiento ocasionado por una refri-geracin insuficiente y son especialmenteimportantes en bombas que dependen de lainmersin para su refrigeracin.La entrada de agua en el motor cerrado puedecontrolarse mediante un interruptor de hume-dad que reacciona al exceso de humedad. Elinterruptor de humedad se conecta normal-mente en serie con los trmicos en un circuitoque desconecta la bobina del disyuntor y parael motor al abrirse. La figura 42 muestra uninterruptor de humedad que funciona cuandola humedad alcanza el 100 %. El interruptor dehumedad es irreversible y no se rearma des-pus de dispararse. En un circuito comn coninterruptor de humedad y trmico puede deter-minarse el dispositivo que se ha abierto, ya queslo los trmicos se vuelven a cerrar despus deenfriarse. Hay que abrir y secar el motor antesde intentar de rearrancarlo despus de dispa-rarse el interruptor de humedad.La entrada de agua en el motor cerrado pordetrs de los cierres mecnicos puede contro-larse mediante un sensor detector de fugas enla cmara de aceite del cierre. Los aceites demotor normales utilizados como aceite de cie-rre en bombas sumergibles pueden formar unaemulsin con hasta un 30 % de contenido deagua. El detector de fugas reacciona cuando elcontenido de agua supera el 30 % (detectoresconductivos) o controla el contenido de aguacontinuamente (detectores capacitivos). Losltimos pueden calibrarse para que se disparena cualquier contenido de agua y utilizarse paracontrolar indirectamente el estado del cierreprimario, verificando la entrada de agua a lo

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2 Construccin de bombas

Trmico. La unidad consta de un interruptor bimetli-co muy pequeo que se abre segn la temperaturafijada en el interruptor. Puede conectarse en el panelde control para cortar la corriente si la temperaturadel motor sube demasiado.

Fig. 41

largo del tiempo (fugas). Los detectores defugas normalmente no son estndar, sino estndisponibles como equipo adicional.La entrada de agua en el motor cerrado median-te flujo capilar por el cable elctrico antes deinstalar la bomba puede evitarse, montando enfbrica una funda protectora hermtica en elextremo de cable libre. No debe quitarse hastaque se conecte el cable al panel de control.El estado de los cojinetes y/o grasa de los coji-netes puede controlarse mediante sensores tr-micos en el soporte de cojinetes. Se instalancerca del anillo gua exterior del cojinete, y secalibran para registrar la temperatura del coji-nete. Los sensores trmicos estn disponiblescomo equipo adicional.

Dispositivos de proteccin externosLos siguientes dispositivos de proteccin estnmontados en el panel de control del motor:

La proteccin contra cortocircuito se realizamediante fusibles, disyuntores o proteccioneselectrnicas de motor. Los fusibles y disyunto-res deben dimensionarse para soportar laintensidad de arranque del motor, pero el valorno debe ser superior al del cable elctrico o con-mutador. Cuando se utilicen fusibles, stosdeben ser del tipo de accin retardada.Se necesita proteccin contra sobrecarga enuna situacin repentina de sobrecarga, talcomo cuando el impulsor empieza a tener pro-blemas de funcionar o se agarrota, cuando labomba se atasca o durante la prdida de fase

del suministro elctrico. La proteccin contrasobrecarga la proporciona a menudo rels desobrecarga, acoplados a los contactores delmotor. Constan de elementos bimetlicos concompensacin de temperatura ambiente quedesconectan la corriente a los serpentines delcontactor si la corriente supera el valor especifi-cado ajustado. Los rels de sobrecarga propor-cionan buena proteccin contra la prdida defase del suministro. Deben ajustarse de acuer-do con la intensidad nominal del motor.Cuando se utiliza arranque estrella tringulo, lacorriente a travs del rel de sobrecarga sereduce con el factor 0,58 lo que hay quetener en cuenta al ajustarlo. La figura 43 mues-tra un rel de sobrecarga.El aislamiento del bobinado del estator se con-trola mediante un dispositivo automtico demedicin de la resistencia que mide la resisten-cia entre las fases y entre las fases y tierra cadavez que la bomba para. Pueden ajustarse nive-les de alarma de la resistencia, evitando corto-circuitos y daos de los bobinados.

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Construccin de bombas 2

Interruptor de humedad GRUNFDOS. La unidad cons-ta de varios discos sensibles a la humedad, apiladosen una varilla de mando, y un microinterruptor. Losdiscos higroscpicos se dilatan en contacto con dema-siada humedad, y tiran de la varilla de mando. Unaleva en el extremo de la varilla dispara el microinte-rruptor y corta el circuito. La unidad es irreversible yhay que cambiarla despus de su utilizacin.

Fig. 42

Rel de sobrecarga trmica. El rel conecta con el con-tactor del motor y corta el corriente si la carga elctri-ca supera el valor ajustado.

Fig. 43

2.4 Conexin de la bomba

Al instalar una bomba sumergible en instalacinsumergida slo se conecta a la tubera de descar-ga. Para instalaciones fijas se utiliza normalmenteuna base de autoacoplamiento.

Base sumergibleEl concepto de base sumergible ha sido desarro-llado a lo largo de los aos para utilizacin conbombas sumergibles. Permite bajar la bomba a lafosa y conectarla firmemente a la tubera de des-carga sin que ningn operario tenga que entrar enla fosa. De la misma manera, la bomba puedeextraerse sin peligro de la fosa para manteni-miento. El sistema incluye barras o tubos queguan la bomba hacia abajo hasta la base. Unabrida especial, o ueta de gua, en la descarga dela bomba encaja en las superficies de unin de labase para una firme conexin. Los sistemas parafosas estn diseadas con precisin y tienensuperficies mecanizadas y anillos de cierre de

goma para una conexin fuerte y hermtica. Labomba se mantiene en sitio por su propio peso. Lafigura 44 muestra la base y las barras gua de unabomba sumergible.

La figura 45 muestra un cierre flexible, diseadode forma que la accin de cierre aumenta todavams por la presin de la bomba, garantizando unaconexin hermtica en todo momento.

Algunos fabricantes de bombas ofrecen kits deconversin para la conexin de bombas a viejasbancadas o como bombas de sustitucin para labase de otro fabricante. Por lo tanto, la mejora oconversin de estaciones de bombeo existentespuede hacerse con un trabajo y costes mnimos.

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2 Construccin de bombas

Base sumergible GRUNDFOS. Cuando la bomba estcolocada, su peso la mantiene firmemente en sitio.Superficies de conexin mecanizadas con precisin yun cierre de disco de goma garantizan la estanquei-dad. Una holgura entre la ueta de gua y las barrasgarantizan una extraccin sin dificultades, incluso encondiciones contrarias.

Fig. 44

Cierre flexible entre la brida de presin de la bomba yel conector. El cierre est diseado de forma que laaccin de cierre aumenta todava ms por la presinde la bomba, garantizando una conexin hermticaen todo momento.

Fig. 45

Conexin de mangueraLa figura 46 muestra una instalacin sumergiblecon conexin de manguera. Puede utilizarse parainstalaciones temporales o para aplicaciones enlas que se desplaza la bomba dentro de la fosahmeda para bombear lodos.

Instalacin en columnaEl concepto de instalacin de bombas sumergi-bles en columna ha sido desarrollado durante losltimos aos. Se baja la bomba a un tubo verticalo columna, donde la voluta circular de la bombase ajusta en un anillo de asiento instalado en elextremo inferior de la columna, ver la figura 47. Labomba permanece en sitio por su propio peso ypor la fuerza de presin de la accin de bombeo.La voluta est diseada especficamente para lainstalacin y lleva labes posteriores. El anillo deasiento es cnico, lo que garantiza una conexinhermtica entre bomba y columna. La conexinhermtica y uetas impiden que la bomba patineal arrancar.

La instalacin en columna es idnea para bombassumergibles de hlice, pero tambin para bombasde aguas residuales para grandes caudales y altu-ras pequeas a medianas. La figura 48 muestra elrea Q/H en la que las bombas de instalacin encolumna GRUNDFOS estn disponibles. Para estagama la instalacin en columna supone probable-mente unos menores costes de inversin, perocada proyecto debe evaluarse por separado. Lasbombas instaladas en columna tienen el mismorendimiento que bombas previstas para otrostipos de instalacin, pero las curvas de las bombasson ligeramente diferentes debida a la volutaabierta. La instalacin en columna es muy ade-cuada para el bombeo de lodos de retorno enplantas de tratamiento de aguas residuales. Eltubo de columna puede ser de acero inoxidable oacero galvanizado en bao caliente.

En instalaciones con agua de mar, una columnade acero inoxidable puede crear un fuerte ele-mento galvnico que ocasiona corrosin de labomba. Especialmente piezas de bomba galvani-zadas se corroern rpidamente debido a laaccin galvnica del gran rea catdica de la

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Construccin de bombas 2

Bomba sumergible en un soporte con conexinde manguera. Esta versin de instalacin se uti-liza para instalaciones temporales o porttiles.

Fig. 46

Seat ring

Instalacin de bomba en columna. La bombaest apoyada en un anillo de asiento cnico ins-talado en el fondo de la columna.

Fig. 47

Anillo de asiento

columna alrededor de la bomba. Por ejemplo, unacadena de elevacin que quedar en su sitio debeser de acero inoxidable. La bomba de fundicindebe estar protegida por nodos fungibles que secambian a intervalos regulares. Si se aplica unacapa de pintura de por lo menos 200 de gro-sor a la columna, se evita la formacin de la super-ficie catdica y por lo tanto corrosin de la bomba.

2.5 Materiales de construccin,corrosin y desgaste

2.5.1 Resistencia a la corrosinLa fundicin es el material principal de construc-cin en las bombas sumergibles de aguas residua-les, con tornillos y accesorios en acero inoxidable.El eje de la bomba es totalmente de acero inoxi-dable o est protegido contra el contacto con loslquidos de bombeo. Cuando la bomba o baseincluye piezas de acero soldadas, stas estn gal-vanizadas en bao caliente. Dichos materialesdurarn dcadas en trabajos normales de aguasnegras.

Cuando el lquido bombeado contiene efluentesindustriales es posible que la resistencia a lacorrosin de la fundicin no sea suficiente, espe-cialmente para partes que estn expuestas a velo-cidades altas del caudal, tales como impulsores yvolutas de bomba, que estarn expuestos a lacorrosin por erosin. En estas aplicaciones, la capa natural de la corrosin que proporciona una

proteccin natural al material que est por debajo de esta capa desaparece debido al rozamiento,ocasionando rpidamente corrosin. Puede sernecesario utilizar materiales inoxidables paraestas partes sensibles.

La corrosin en agua de mar depende de variosfactores, tales como la salinidad, contenido deoxgeno, contaminacin y temperaturas. Hay quepensar en la seleccin correcta de material paracada caso. nodos de zinc protectores fungiblespueden proteger contra la corrosin en algunoscasos.

El material del forro del cable elctrico debesoportar aceites y otros agentes contaminantespresentes en las aguas residuales. Otras piezas degoma, tales como juntas tricas, son normalmen-te de nitrilo o neopreno para que sean resistentescontra aguas residuales, aceites y productos qu-micos.

Las bombas sumergibles estn tambin disponi-bles totalmente en acero inoxidable para utiliza-cin en lquidos altamente corrosivos, tales comoefluentes de industrias de procesos. Las bombasen acero inoxidable son 3 4 veces ms caras quelas bombas fabricad