La bomba centrífuga en una EDAR

Antes de hablar de la curva característica de una bomba hidraúlica veamos sus conceptos básicos. La bomba centrífuga es una máquina que consta de un conjunto de paletas rotatorias encerradas dentro de una cubierta o, también llamado, cárter. Se denominan así porque la cota de presión que crean es ampliamente atribuible a la acción centrífuga. Las paletas imparten energía al fluido por la fuerza de esta misma acción. Así, despojada de todos los refinamientos, una bomba centrífuga tiene dos partes principales:

✔ un elemento giratorio, incluyendo un impulsor y una flecha

✔ un elemento estacionario, compuesto por una cubierta, sellos y empaquetaduras

¿Cómo funciona una bomba hidraúlica?

El flujo entra a la bomba a través del ojo del rodete y el fluido gana energía a medida que las paletas del rodete lo transportan hacia fuera en dirección radial. Esta aceleración produce un apreciable aumento de energía de presión y cinética. Esto es debido a la forma de caracol de la voluta para generar un incremento gradual en el área de flujo. De esta forma, la energía cinética a la salida del rodete, se convierte en cabeza de presión a la salida.

Las partes de una bomba centrífuga

Una bomba centrifuga, que habitualmente, encontramos en las EDAR consta de las siguientes partes: carcasa, impulsor, eje, anillo de desgaste, empaquetadura y cojinetes.

Carcasa

Es la parte exterior protectora de la bomba y cumple la función de convertir la energía de velocidad impartida al líquido por el impulsor en energía de presión. Esto se lleva a cabo mediante reducción de la velocidad por un aumento gradual del área.

Impulsores

Es el corazón de la bomba centrífuga. Recibe el líquido y le imparte una velocidad de la cual depende la carga producida por la bomba.

Eje

El eje es la pieza que permite el giro en la bomba centrífuga. Además, es el elemento que transmite el movimiento que proporciona el motor.

Anillos de desgaste

Son elementos fáciles de cambiar y baratos. Se emplean en zonas con gran desgaste, por ejemplo, en las holguras entre el impulsor y la carcasa.

Empaquetadura

La función de la empaquetadura y los sellos es evitar el flujo del líquido bombeado salga al exterior de la máquina. Esto se produciría a través del orificio por donde pasa la flecha de la bomba y el flujo de aire hacia el interior de la bomba.

Cojinetes

Sirven de soporte a la flecha de todo el rotor en un alineamiento correcto en relación con las partes estacionarias.  Soportan las cargas radiales y axiales existentes en la bomba.

Dos problemas frecuentes en una bomba hidráulica de EDAR

Uno de los aspectos más importantes en la operación y mantenimiento de una estación depuradora de aguas residuales (EDAR), es el óptimo punto de funcionamiento de las bombas. En el punto óptimo obtendremos el máximo rendimiento con el mínimo consumo y contribuiremos a los criterios técnicos y económicos de sostenibilidad de explotación de la EDAR.

Las bombas hidráulicas están presentes en casi todos los procesos de la EDAR. De ahí que encontremos una gran variedad de tipos: centrifugas, dosificadoras y de tornillo.

En este articulo nos centraremos en las bombas centrifugas tanto horizontales como verticales. Su principal función será la elevación de cota para que la línea de agua (y de fango) recorra los distintos tratamientos siguiendo las fuerzas de gravedad hacia la salida del efluente al río o a una posterior reutilización.

Hay muchos motivos que causan daños en los equipos de bombeo de una depuradora de agua residual. En este articulo vamos a tratar dos de los problemas más frecuentes y dañinos que nos podemos encontrar: bombear fuera de la curva y la cavitación.

✔ Trabajar fuera de curva caracteristica de una bomba

La curva característica es una gráfica que relaciona los elementos más importantes de la bomba. Para elaborar dicha curva se considera una velocidad de giro constante, y un rodete determinado. Todos los datos empleados en el cálculo de la curva deben estar definidos y reflejados en la curva característica.

Las características más comunes que aparecen en una curva característica de una bomba son:

1.- Capacidad: es el caudal que impulsa la bomba. Su unidad de medida habitual es m3/h, para bombas de poco caudal se puede emplear l/sg.

2.- Altura geométrica: es la altura geométrica de elevación del agua. Se mide en metros.

3.- Consumo de energía: refleja el consumo energético del motor que impulsa la bomba centrifuga. Su unidad de medida usual es el kW.

4.- Rendimiento hidráulico: muestra la eficacia de la bomba para ese punto de trabajo. Se expresa en %.

Estas cuatro características están interrelacionadas y si actuamos sobre alguna de ellas, veremos cambios en todas. Una de las claves de una buena operación y mantenimiento en una EDAR es buscar el máximo rendimiento hidráulico. En este sentido se recomienda el empleo de variadores de frecuencia regulados con la información de la instrumentación colocada en la depuradora. Estos variadores deben estar limitados según las indicaciones de la curva característica para evitar que salga de curva o trabaje en puntos de funcionamiento que deterioren la bomba acortando su vida útil. 

Cada modelo de bomba tiene su propia curva característica, que elabora el fabricante en su banco de pruebas. Cualquier modificación en el impulsor o en otro elemento de la bomba puede modificar la curva característica.

Un dato fundamental que debe incluir la curva característica es la altura neta de succión positiva requerida (NPSH_r).Este parámetro define la altura mínima de agua que requiere el depósito de aspiración para que la presión de entrada a la bomba no produzca burbujas de vapor que conllevaría efectos de cavitación. Una buena práctica de operación y mantenimiento es asegurar que la altura neta de succión positiva disponible (NPSH_d) en el depósito es superior a la NPSH_r.

En base a nuestra experiencia, podemos recomendar que la curva característica de cada bomba es un documento que debe conocer el operador de la EDAR para lograr un máximo provecho de la instalación, y por tanto, se considera una herramienta fundamental en la operación y mantenimiento de la EDAR.

✔ La cavitación de la bomba centrífuga de una EDAR

Para evitar que se produzca el descenso de la presión hasta valores peligrosos, el líquido debe disponer en la entrada a la bomba, una presión suficiente para compensar el efecto del aumento de la velocidad.

Para que no se produzca el fenómeno de la cavitación, el NPSHD debe ser mayor que el que requiere la bomba a la entrada, NPSH_r.

El fabricante de las bombas se preocupa de seleccionar en cada proyecto el tipo de impulsor. Sin embargo, el NPSHR calculado que debe cumplir la instalación, también se puede hallar como el grado de cavitación en el que se produce un 3 % de caída en la presión normal que daría la bomba si no cavitase.

Entender la curva caracteristica de una bomba

La curva característica de una bomba centrifuga es la representación gráfica, donde se representa la relación única de carga y caudal. Esta indica el comportamineto del equipo de bombeo a una determinada velocidad de giro del impulsor.

Cada fabricante genera catálogos donde se pueden seleccionar diversas curvas características de la bomba en función del punto de operación necesario a cumplir en cada instalación concreta.

Los aspectos más relevantes para interpretar u documento donde se refleje la curva caracteristica de una bomba centrifuag son los siguientes:

Ejes de la curva

Eje X (horizontal): Representa el caudal o flujo de agua que la bomba puede manejar, medido en litros por segundo (L/s) o metros cúbicos por hora (m³/h).
Eje Y (vertical): Representa la altura manométrica total (HMT) o la carga total que la bomba puede superar, medida en metros (m) o pies (ft).

Puntos en la curva

Punto de operación: Es el punto donde se cruzan las condiciones reales del sistema (caudal y altura) con la curva de la bomba. Este es el punto donde la bomba operará en la práctica.

Partes de la curva

Curva de rendimiento: Muestra cómo varía la altura manométrica total (HMT) de la bomba con diferentes caudales. Por lo general, la curva tiene una forma ascendente hasta un punto máximo y luego desciende.

Zona de eficiencia: La parte de la curva donde la bomba funciona de manera más eficiente. La eficiencia generalmente es más alta en el centro de la curva.

Punto de mejor eficiencia (BEP): Es el punto en la curva donde la bomba opera con su mayor eficiencia.
Interpretación:

Datos esenciales de la curva característica de una bomba hidráulica

Altura manométrica total (HMT): Representa la energía que la bomba debe proporcionar para vencer la resistencia del sistema (tubos, accesorios, elevación, etc.).

Caudal: Indica la cantidad de agua que la bomba puede mover en un momento dado.

Eficiencia: Buscamos operar la bomba en la zona donde la eficiencia es más alta para minimizar pérdidas de energía.

Punto de operación: Ajusta las válvulas del sistema para que el punto de operación se encuentre en la zona de mayor eficiencia de la curva.

Fuera de la curva: Evita operar la bomba en extremos de la curva, ya que la eficiencia será baja y podría dañar la bomba.

Los fenómenos asociados a la cavitación de las bombas

La curva característica de una bomba centrífuga es una herramienta clave para entender su comportamiento y optimizar su rendimiento en un sistema de bombeo. Su información nos eviatrá averías debidas a fenomenos como la cavitación, veamos algunos casos frecuentes.

✔ Recirculación interna

El líquido aumenta su velocidad dentro del impulsor hasta que se produce su vaporización. La velocidad específica de aspiración determina la proximidad que debe tener el punto de servicio con respecto al punto de máximo rendimiento de la bomba para evitar este problema.

✔ Sumergencia

Para evitar la entrada de aire a la bomba como consecuencia de la formación de vórtices, debe haber una cierta altura sobre su voluta.

✔ Inadecuada lubricación de la bomba centrífuga

Es fundamental un riguroso control del estado del filtro de aceite hidráulico. Estos filtros se colocan normalmente en el extremo de la descarga de baja presión del sistema. Después de que el fluido a alta presión ha hecho su trabajo, sale de un motor hidráulico o un cilindro y, a continuación, pasa a través de un filtro tipo tornillo.

También se debe revisar el filtro de malla de succión. Esta malla de metal está compuesta de agujeros finos sobre un tamiz de acero. Las pequeñas partículas que podrían acumularse en el depósito del tanque de metal son capturadas antes de entrar en la bomba. Si estos dos filtros están taponados causarán problemas de presión en la bomba.

Siempre hay que consultar el manual del fabricante y utilizar el aceite recomendado.

✔ Daños en el sello de la bomba o del cojinete

Una ligera fuga en una posición del cojinete y el sello indicará que existe un problema con la bomba hidráulica. La fuga puede existir durante mucho tiempo antes de que la bomba falle. Un sello con fugas es un indicador de que un cojinete está fallando, en la propia bomba o en el motor que la acciona.

Se recomienda realizar inspecciones periódicas en todos los sellos de las bombas y los cojinetes.

✔ Colapso del sello de la bomba por alta temperatura

El agua residual suele tener una temperatura por encima de la media, pero hay causas que la pueden incrementar en exceso. Este influente caliente puede provocar que se queme el interior de los sellos de la bomba. En algunas EDAR donde se repite este fenómeno instalan sistemas hidráulicos con un dispositivo de tipo radiador para enfriar el líquido en el interior del pozo de gruesos.

Se recomienda revisar la temperatura del agua residual durante el proceso de depuración, y cualquier anomalía o desviación del rango habitual debe ser motivo para revisar los bombeos de la EDAR. También es conveniente analizar las lecturas de los caudalímetros de la EDAR para comprobar que el caudal de tratamiento se mantienen en los rangos adecuados.

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