Mecánica de Fluidos · tema 24
Bombas hidráulicas
Desplazamiento positivo y turbobombas, y por qué sus curvas características son tan distintas que ni se regulan igual.
este tema trae un simuladorUna bomba sube la energía de un líquido. Y como la energía hidráulica son tres —posición, presión y velocidad—, el tema empieza por una pregunta razonable: ¿cuál de las tres sube cada bomba?
La respuesta ordena la clasificación entera, y tiene dos rarezas:
- Solo posición: el tornillo de Arquímedes, y prácticamente nada más. Un tubo con una chapa arrollada en espiral, inclinado unos 30°, girando entre 30 y 60 rpm. Rendimiento del 75 %, y una limitación curiosa: no admite apoyos intermedios, así que no pasa de unos 15 m de longitud y por tanto de unos 7,5 m de altura. Se siguen usando, y se ponen en serie o en paralelo.
- Solo velocidad: los eyectores o bombas de chorro. Un líquido «motivador» pasa por una boquilla, se acelera por efecto Venturi, baja la presión por debajo de la atmosférica y succiona otro líquido o un gas. No tienen piezas móviles, y su finalidad real no es acelerar sino mezclar.
- Solo presión: las de desplazamiento positivo.
- Presión y velocidad: las turbobombas.
Y no hay más, porque entre la entrada y la salida de una bomba la diferencia de cotas es nula o ridícula: subir energía de posición dentro de la máquina no es una opción.
Los dos grandes grupos
| desplazamiento positivo | turbobombas | |
|---|---|---|
| se basa en | el principio de Pascal | el teorema del momento cinético (Euler) |
| cómo | un desplazador encierra líquido y lo empuja | un rodete cambia su cantidad de movimiento |
| subtipos | alternativas (émbolo, membrana) y rotativas | radiales, diagonales, axiales |
| caudal | fijado por la cilindrada y el régimen | ligado a la altura |
| curva característica | casi vertical | descendente |
| autocebante | sí | no |
| presiones | hasta 1000 bar (émbolo), 600 (rotativas) | modestas |
| funcionamiento | cíclico | continuo |
Hay un tercer grupo, «bombas especiales», que es un cajón de sastre: el tornillo de Arquímedes, los eyectores, el ariete hidráulico, la bomba mamut.
Desplazamiento positivo
El principio es facilísimo —Pascal— y la construcción es cara, porque todo el problema es la estanquidad: separar la zona de presión alta de la baja, y las dos del exterior.
Alternativas. Una carcasa cilíndrica, un émbolo que va y viene, y unas válvulas que comunican con la aspiración y la impulsión. Al retroceder el émbolo crea una depresión que aspira; al avanzar comprime hasta que abre la válvula de impulsión.
Se usan para caudales pequeños a gran altura, o mejor, para generar presiones grandes. Piden líquidos limpios, sin sólidos en suspensión y no muy viscosos. La variante de membrana o diafragma cambia el émbolo por una lámina y sirve para caudales reducidos a poca altura.
Su defecto es el suministro irregular, porque hay que convertir el giro del motor en movimiento lineal. Se corrige poniendo varios émbolos con los ciclos desfasados.
Rotativas o rotoestáticas. Piezas giratorias que van generando volúmenes, aspirando, desplazando y descargando. No llevan válvulas, y por eso necesitan un ajuste perfectísimo entre piezas. Se usan con líquidos viscosos —que hacen de lubricante— y muy limpios. Son también autocebantes, y su discontinuidad es menor que la de las alternativas porque los recintos son más pequeños y más numerosos.
A una bomba de desplazamiento positivo no se le regula el caudal con una válvula
Es la consecuencia práctica de que su curva característica sea vertical, y la razón por la que estas bombas llevan siempre válvula de seguridad.
El caudal de una bomba de émbolo es el volumen de una embolada por el número de emboladas: no depende de la presión. Si cierras la válvula de impulsión, la bomba no baja el caudal — sigue empujando el mismo volumen contra una salida cerrada, y la presión sube hasta que algo revienta.
Por eso:
- se regula variando la velocidad de giro o la cilindrada, no estrangulando;
- y se pone válvula de seguridad, que en una turbobomba no hace falta.
En una turbobomba pasa lo contrario: cerrar la válvula sube la altura y baja el caudal hasta cero, y la máquina se queda ahí sin romper nada. Es lo que hace que la regulación por válvula sea posible — y lo que se explota en el tema 25.
La curva no es exactamente vertical, eso sí: al subir la presión aumentan las fugas por los huelgos y las válvulas responden peor, así que el caudal cae un poco. Pero cae poco, y esa es toda la diferencia.
Las dos curvas dicen cómo responde cada máquina a que le pongan resistencia. La turbobomba negocia: si la instalación pide más altura, ella da menos caudal. La de desplazamiento positivo no negocia: da su caudal y sube la presión hasta donde haga falta. De ahí que una se regule con una válvula y la otra necesite válvula de seguridad.
Turbobombas
Son las que se usan para casi todo. Constan de rodete —donde la energía mecánica se convierte en hidráulica de presión y velocidad— y sistema difusor, donde parte de la velocidad se convierte en presión.
El difusor más frecuente es la voluta o caracol: un colector cuya sección va creciendo, de modo que el agua se frena y gana presión.
Se clasifican por la dirección del flujo respecto del eje en radiales, diagonales y axiales. Las dos primeras son análogas a la turbina Francis; las axiales, a la Hélice.
«Bomba centrífuga» es un nombre impreciso, aunque sea el de todos los catálogos: solo describe bien a las radiales. El término correcto es turbobomba, o rotodinámica.
Los dos sellados de una turbobomba: interno y externo, y no llevan lo mismo
Cayó como pregunta de rellenar huecos en junio de 2021, así que conviene tenerlo separado.
Sellado interno. El problema es el cortocircuito hidráulico: el líquido que ya tiene energía a la salida del rodete se escapa por el huelgo entre rodete y carcasa y vuelve a la entrada. Ese caudal es exactamente el que mide el rendimiento volumétrico del tema 22. Se combate con anillos de cierre, rozantes o laberínticos, que reducen el huelgo al mínimo.
Sellado externo. El problema es por dónde entra el eje en la carcasa. Dos soluciones:
- caja prensaestopas: anillos de material elastomérico que envuelven el eje y se dilatan radialmente al apretarlos. Conviene dejar que se forme una película de líquido que lubrique;
- cierre mecánico: dos discos cerámicos apretados por muelles, uno solidario al eje y otro a la carcasa. Al ser el cerámico casi perfectamente liso, la estanquidad es prácticamente total.
Regla mnemotécnica que funciona: laberínticos por dentro, prensaestopas o cierre mecánico por fuera.
Y el enlace con el tema siguiente
Lo que hace útil todo esto es que la altura y el caudal de una turbobomba están ligados: no se puede pedir cualquier caudal a cualquier altura, sino solo los pares que están sobre su curva característica. Cuál de esos pares se da depende de la instalación donde se monte.
Ese cruce —la curva de la bomba contra la curva de la instalación— es el tema 25, y es donde acaba la asignatura.
Practica lo que acabas de leer
El caudal de una bomba de émbolo sale de la geometría
Ejemplo introductorio, para entrar de cero. Cada paso equivocado recibe su diagnóstico, no un «incorrecto».
Hacer el ejercicio →El caudal de una bomba de émbolo sale de la geometría
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Una bomba alternativa de émbolo de simple efecto tiene un pistón de de diámetro y una carrera de , y gira a . Su rendimiento volumétrico es y trabaja contra una presión de .
a) Calcular el caudal teórico.
b) Calcular el caudal real.
c) Calcular la potencia hidráulica que entrega.
Los dos caudales y la potencia hidráulica.
- 01
Reconocer el camino
COMP1¿Por qué el enunciado no da ninguna curva característica de la bomba?
Exacto, y esa es la diferencia de fondo con una turbobomba. Aquí el caudal se calcula; en una turbobomba hay que cruzar dos curvas para saberlo.
El rendimiento volumétrico corrige las fugas, pero no sustituye a una curva. La razón de que no haga falta curva es más de fondo: en esta máquina el caudal no depende de la altura.
Ese razonamiento vale para una turbobomba, donde altura y caudal están ligados. En una de desplazamiento positivo, la presión no elige el caudal: la bomba da el suyo y la presión sube hasta donde haga falta.
- 02
El caudal teórico
COMP2¿Qué caudal desplaza teóricamente?
un caudal, con su unidad — con su unidad; vale cualquiera de la misma magnitudHas contado dos emboladas por vuelta, que es lo que ocurriría en una bomba de doble efecto. En simple efecto solo impulsa una de las dos carreras: una embolada por vuelta.
Te has dejado el 60: las 300 revoluciones son por minuto, y el caudal se pide por segundo.
Volumen de una embolada por número de emboladas por segundo.
Desarrollo
- 03
El caudal real
COMP2¿Y el que sale de verdad por la impulsión?
un caudal, con su unidad — con su unidad; vale cualquiera de la misma magnitudHas dividido entre el rendimiento en vez de multiplicar. El caudal real es menor que el teórico: parte del líquido pasa a la otra cara del émbolo o se fuga al exterior.
Ese es el teórico. El volumétrico de una alternativa no es 1: hay fugas por los huelgos y las válvulas no cierran instantáneamente, y eso empeora al subir la presión.
, y tiene que salir menor.
Desarrollo
- 04
La potencia hidráulica
COMP2¿Qué potencia entrega al líquido contra los 200 bar?
una potencia, con su unidad — con su unidad; vale cualquiera de la misma magnitudHas usado el caudal teórico. La potencia útil se calcula con el que de verdad llega a la impulsión.
Un factor diez en la presión: , no .
, con la presión en pascales.
Desarrollo
Casi tres litros por segundo, y cincuenta y cinco kilovatios: toda la potencia está en la presión, no en el caudal.
- 05
Justificar el argumento
COMP4Ordena la conclusión. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
En una bomba de desplazamiento positivo eso es peligroso. Su curva es casi vertical: al estrangular no baja el caudal, sube la presión hasta que algo cede. Se regula variando la velocidad de giro o la cilindrada, y se protege con válvula de seguridad.
El razonamiento, en orden
En una bomba de desplazamiento positivo el caudal sale de la cilindrada por el régimen: 603 cm³ por embolada, cinco emboladas por segundo, 3,02 l/s.
El rendimiento volumétrico recorta ese caudal a 2,77 l/s, y esa merma crece con la presión, porque aumentan las fugas.
Contra 200 bar, la potencia hidráulica es de 55,5 kW: en esta máquina toda la potencia está en la presión, no en el caudal.
Resolución completa
El caudal teórico. Sale de la geometría, sin curvas ni catálogos:
El real. .
La potencia. .
Las tres diferencias con una turbobomba, que es de lo que va el ejercicio:
- El caudal se calcula, no se cruza. No hace falta curva de la bomba ni curva de la instalación: la máquina desplaza lo que desplaza.
- La presión no la elige la bomba, la elige la instalación, y la bomba la da. Teóricamente sin tope; en la práctica, hasta que rompe. De ahí la válvula de seguridad.
- Y por eso no se regula estrangulando. Cerrar una válvula en una turbobomba baja el caudal; aquí sube la presión. Se regula variando el régimen de giro o la cilindrada.
Tres litros por segundo es un caudal pequeño —una turbobomba de tamaño medio mueve veinte veces más— y cincuenta y cinco kilovatios es mucha potencia. Ese es exactamente el nicho de estas máquinas: poco caudal a muchísima presión.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.