Aunque ya se ha expresado antes (pág. 3) las conducciones forzadas o tuberías a presión son aquéllas que funcionan a plena sección y en las que el movimiento del líquido se debe a la presión reinante en el interior, pudiendo presentar, por tanto, pendientes y contrapendientes, aunque en ocasiones esta en contacto con la atmosfera como se observa en la figura 1.
Una tubería o cañería es un conducto que cumple la función de transportar agua u otros fluidos elaborados con materiales muy diversos. Las tuberías de presión tiene como conduce el agua en el punto desde el cual se tiene una gran energía, desde el embalse en algunos casos, o desde el tramo final del túnel de conducción en otros, o desde denominado pozo o cámara de presión, hasta la turbina.
Cuando el líquido transportado es petróleo, se utiliza el término oleoducto. Cuando el fluido transportado es gas, se utiliza el término gasoducto. También es posible transportar mediante tuberías materiales que, si bien no son un fluido, se adecuan a este sistema: hormigón, cemento, cereales, documentos encapsulados, etcétera.
Una Estación de Bombeo (EB) (también llamada Estación Elevadora (EE)), es una instalación hidroelectromecánica destinada a forzar el escurrimiento de una vena líquida para que ésta llegue a destino en las condiciones previstas en su diseño.
Conceptos fundamentales.
En general, las máquinas de fluidos pueden clasificarse según el sentido de transmisión de la energía entre el fluido y la máquina (bombas frente a turbinas, es decir, generadoras frente a motoras), la compresibilidad del fluido (bombas hidráulicas frente a compresores)o su principio de funcionamiento (por ejemplo, una bomba centrífuga frente a una volumétrica). Según este último criterio, las bombas hidráulicas pueden ser rotodinámicaso turbomáquinas, en las que el intercambio de energía se produce mediante la transferencia de cantidad de movimiento; de desplazamiento positivo o volumétricas; gravimétricas, en las que la energía intercambiada es de tipo potencial, y de otros tipos más singulares, como las capilares, de ariete, etc.
La misión de una bomba es transferir energía a un líquido para permitir su transporte en una instalación. Esto conlleva normalmente un aumento de la presión a la salida de la bomba que puede relacionarse con el caudal que se esté transportando en forma de curva característica. Esta curva característica es propia de cada bomba, y depende de su forma y principio de funcionamiento, de su tamaño, de la velocidad del accionamiento, etc., y también de algunas propiedades del fluido (aunque sobre todo, de su viscosidad).
La turbina transforma la energía hidráulica en mecánica, generalmente, con el propósito de mover un generador y producir electricidad.
Cabe añadir, que el transporte de un fluido puede producirse sin aumento de su presión, e incluso sin la existencia de mecanismo impulsor alguno, como ocurre en las mechas capilares o en el derrame de un líquido desde un depósito. Entre las máquinas destinadas a transportar líquidos a presión constante se encuentran las norias y los rosarios, en general poco comercializadas y de ejecución muy especial, y también los tornillos de Arquímedes, que actualmente tienen algunas aplicaciones industriales interesantes.
Clases de bombas.
Las Bombas de desplazamiento positivo crean la succión y la descarga desplazando el agua como un elemento móvil. El espacio que ocupa el agua se llena y vacía alternativamente forzando y extrayendo el líquido mediante un movimiento mecánico.
En cuanto a las bombas de desplazamiento no positivo o rotodinámicas consisten en un impelente, rodete o rotor, colocado dentro de una caja y dispuesto de manera que cuando rota, le transmite energía al líquido bombeado, aumentando la presión y la velocidad del mismo.
Las bombas de fluido impelente. Son aquellas que consiguen la elevación del fluido que se desea bombear a expensas de la energía que posee otro fluido que se denomina fluido motriz.
Las bombas de empuje ascendente (fig. 1) tampoco tienen partes móviles y también necesitan de una corriente auxiliar, en este caso de aire o gas. El efecto de bombeo se produce en estos dispositivos inyectando aire a presión en la parte inferior y sumergida de un tubo, por el que fluirá el líquido arrastrado por la corriente de aire en su ascenso. La presión de inyección (p) del aire depende de la profundidad a la que se halla el tubo, aunque generalmente esto no es un problema pues, por ejemplo, en el caso de tener que bombear agua, con 2 bares de presión es suficiente para poder inyectar aire a 20 metros de profundidad.
Figura 1. Bomba periférica (izquierda), eyectores (centro) y bomba de empuje ascendente (derecha).
La bomba de ariete (fig. 2) es un modelo de bomba que no necesita ningún tipo de fuente primaria de energía, ya sea recibida de un motor o de un fluido auxiliar. Esta bomba aprovecha el empuje de una corriente descendente de agua para inducir un golpe de ariete controlado cuya sobrepresión es retenida en un calderín (c). La bomba incorpora, además, sendas válvulas de descarga o desagüe (vd) y de retención (vr), cuya dinámica de apertura y cierre, regulación y tarado han de estar en sintonía con la presión y con el caudal deseados.
Figura 2. Bomba de ariete (izquierda) y tornillo de Arquímedes entubado (derecha)
El tornillo de Arquímedes (fig. 2) por su interés industrial en el transporte de fluidos con sólidos en suspensión. El principio de funcionamiento del tornillo de Arquímedes es la “roscada de agua”, o cantidad de agua escupida por el extremo superior del tornillo por filete de rosca y revolución. El caudal de esta bomba es proporcional al área anular del tornillo, al paso entre filetes y a las revoluciones, es decir, guarda cierta analogía funcional con las bombas volumétricas.
Bombas de intercambio de cantidad de movimiento, según la dirección del flujo a la salida del rodete, podemos hablar de:
- Bombas centrífugas (flujo perpendicular al eje)
- Bombas hélice (flujo paralelo al eje)
- Bombas helicocentrífugas (flujo mixto).
Atendiendo a la velocidad específica de:
Figura 3. Flujo de las bombas de intercambio de movimiento.
Mayor altura y poco caudal necesitan menor nq, y exigen rodetes con mayores D y/o mayor u2, y pequeñas anchuras de salida.
Para mayores nq, la forma del rodete deriva hacia mayores anchuras de salida y menores diámetros.
Los valores de nq son (n rpm, Q m3/s, H m) {grafico 1}:
- Bombas centrífugas: nq = 10 ÷ 100 (nq ≈ 50)
- Bombas mixtas: nq = 75 ÷ 200 (nq ≈ 130)
- Bombas hélice: nq = 200 ÷ 320 (nq ≈ 250)
Grafico 1. Curvas de caudal.
Pérdidas y rendimientos característicos.
Las pérdidas que tienen lugar en una bomba responden a tres tipologías distintas, a
saber:
- Pérdidas volumétricas o de caudal.
- Pérdidas hidráulicas.
- Pérdidas mecánicas.
Las pérdidas de caudal se pueden agrupar en dos clases: las exteriores, debidas a la salpicadura de fluido hacia el exterior a través del juego entre la carcasa y el eje de la bomba, o a través de las bridas de conexión. Las interiores, debidas al aumento de presión en el interior de la bomba, lo que origina todo tipo de recirculaciones internas. Por norma general, las fugas internas son más cuantiosas que las externas y su reducción resulta más complicada.
Las pérdidas hidráulicas son aquellas que disminuyen la energía útil que la bomba comunica al flujo de fluido. Dicha energía útil, que expresada en términos de energía por unidad de peso es la altura manométrica de la bomba, HB, se obtiene aplicando Bernoulli entre las secciones de entrada y salida de la bomba.
Las pérdidas de tipo mecánico son el resultado de la existencia de pérdidas por fricción, ya sean debidas al rozamiento entre las partes sólidas del interior de la máquina que participan del movimiento relativo o absoluto (cojinetes, juntas, etc.), o de tipo hidráulico, denominadas en las bombas rotodinámicas pérdidas por fricción en el disco.
Tuberías.
Como es conocido las tuberías es un sistema de tubos empalmados para la conducción de líquidos o gases, el dimensionado de tuberías es una parte importante en el diseño de la planta.
Los materiales mas empleados en su fabricación son:
Los más empleados habitualmente son: Acero Negro y Cobre para Calefacción y Climatización, y Cobre y Acero Galvanizado para ACS; las tuberías de materiales Plásticos están siendo cada vez más utilizadas.
Las tuberías de acero se denominan por su diámetro nominal en milímetros, o en pulgadas.
Las tuberías de cobre se suelen designar de dos maneras diferentes, de ellas debe utilizarse la que se da en segundo lugar:
- Diámetro interior Diámetro exterior (mm). Por ejemplo: tubería de 20 22 mm.
- Diámetro Exterior Espesor (mm). La tubería del ejemplo anterior también se puede designar como 22 1 mm.
Perdidas de carga.
Las pérdidas de carga son las pérdidas de presión que sufren los fluidos en su circulación a través de las tuberías y conductos. Son debidas a los rozamientos de los fluidos con las paredes de las tuberías o conductos y a los rozamientos entre las distintas capas de fluido.
Se distinguen dos tipos de pérdidas de carga:
- Pérdidas de carga lineales: son las que se producen a lo largo de toda la tubería o conducto.
- Pérdidas de carga singulares: son las que se producen en los equipos y accesorios.
Los fluidos pueden ser comprimibles o gases (aire, gases combustibles, humos, etc.), e incomprimibles o líquidos (agua, aceites, gasóleo, etc.); en este tema se estudia únicamente el caso del agua, aunque las expresiones teóricas que se analizan son válidas para todos los fluidos.
Características del agua
Densidad (kg/m3): 757,376 + 1,866· T – 3,5654· 10-3· T2
Viscosidad cinemática (cst): 106(1,78· 10-2 – 0,948· 10-4· T + 1,284· 10-7· T2)/(densidad)
(Tabla 1.) Características del agua.
Factores que influyen en las perdidas de carga
Las pérdidas de carga dependen de las características del fluido, de la tubería y del tipo de derrame que se establezca.
- El fluido está caracterizado por: densidad, viscosidad.
- La tubería por: sección o diámetro interior (D), rugosidad interior (K).
- El derrame del fluido, a su vez, está caracterizado por: velocidad (v), número de Reynolds (Re).