Fundamentos de Bombas: NPSH, Cavitación, Tipos y Componentes Esenciales

Conceptos Clave: NPSH (Net Positive Suction Head)

NPSH Disponible (NPSHd)

Es una característica del sistema en el que opera la bomba. Representa la presión absoluta disponible en la brida de succión de la bomba, por encima de la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo. Depende de la instalación.

NPSH Requerido (NPSHr)

Es el valor mínimo de presión absoluta requerido en la entrada del rodete (un punto específico dentro de la bomba) para evitar que el fluido entre en cavitación. Es una característica intrínseca de la bomba, proporcionada por el fabricante y varía con el caudal.

Modificación del NPSH Disponible

Se puede aumentar el NPSHd mediante las siguientes acciones:

• Reducir la altura geométrica de succión (bajar la bomba o subir el nivel del depósito de succión).
• Minimizar las pérdidas de carga en la tubería de succión (usar tuberías más cortas y de mayor diámetro, menos accesorios, válvulas totalmente abiertas).
• Aumentar la presión sobre la superficie libre del líquido en el depósito de succión (presurizar el depósito).
• Disminuir la temperatura del líquido (reduce su presión de vapor).
• Verificar la presión atmosférica, ya que varía con la altitud (a mayor altitud, menor presión atmosférica y menor NPSHd).

Modificación del NPSH Requerido

Se puede reducir el NPSHr (lo cual es beneficioso) mediante:

• Rediseño de la entrada de la bomba para minimizar pérdidas de carga locales (responsabilidad del fabricante).
• Reducir la velocidad de rotación de la bomba (esto también reduce caudal y altura).
• Uso de un inductor: un pequeño impulsor axial colocado antes del rodete principal, diseñado para operar con bajo NPSH.
• Seleccionar una bomba diseñada específicamente para bajo NPSHr.

Cavitación en Bombas

Definición

La cavitación es un fenómeno físico que consiste en la formación intensa de burbujas de vapor del propio líquido en la zona de baja presión de la bomba (generalmente la entrada del rodete, donde la presión local cae por debajo de la presión de vapor del líquido), y su posterior e implosivo colapso cuando estas burbujas alcanzan zonas de mayor presión dentro de la bomba.

Efectos de la Cavitación

Los efectos varían según el tiempo de exposición, la intensidad del fenómeno, las propiedades del líquido y la resistencia del material de la bomba. Los principales efectos son:

• Alteración de la curva característica de la bomba: Caída del caudal y la altura de elevación.
• Daño físico a componentes: Erosión tipo picadura en el rodete, difusores y carcasa, causada por las microexplosiones del colapso de las burbujas.
• Ruidos y vibraciones característicos en el sistema, cuya intensidad depende del grado de cavitación. Pueden causar daños por fatiga en rodamientos, sellos y otros componentes.

Prevención de la Cavitación

La condición fundamental para evitar la cavitación es asegurar que en todo punto dentro de la bomba, especialmente en la entrada del rodete donde la presión es más baja, la presión absoluta del líquido se mantenga por encima de su presión de vapor. Operativamente, esto se traduce en asegurar que:

NPSH Disponible (NPSHd) > NPSH Requerido (NPSHr)

Se recomienda un margen de seguridad adecuado (ej. NPSHd ≥ 1.3 * NPSHr o NPSHd ≥ NPSHr + 0.5 a 1 m).

Tipos de Bombas

Clasificación General

Las bombas se pueden clasificar de forma general en dos grandes grupos:

• Bombas de Desplazamiento Positivo:
  • Reciprocantes (o alternativas): de pistón, émbolo, diafragma.
  • Rotativas: de engranajes, lóbulos, tornillo, paletas, peristálticas.
• Bombas Dinámicas (o Rotodinámicas):
  • Centrífugas (radiales, axiales, flujo mixto).
  • Periféricas (o de turbina regenerativa).
  • Especiales (ej. electromagnéticas).

Bombas Rotodinámicas (Centrífugas)

También denominadas comúnmente bombas centrífugas, son máquinas hidráulicas que transforman la energía mecánica proveniente de un motor en energía cinética y de presión, transferida a un fluido (generalmente líquido). Son el tipo de bomba más utilizado en la industria.

Funcionamiento Básico (Bomba Centrífuga)

Transmiten la energía mecánica del eje al fluido bombeado, principalmente en forma de energía cinética impartida por el rodete giratorio. Esta energía cinética se convierte parcialmente en energía de presión en la voluta o en el difusor (carcasa).

Modificación del Caudal en Bombas Centrífugas

El caudal en una bomba centrífuga se puede modificar mediante:

• Regulación con válvula en la descarga: Estrangular el flujo a la salida (aumenta pérdidas, ineficiente energéticamente pero común).
• Variación de la velocidad de giro (RPM): Usando variadores de frecuencia en el motor (método eficiente).
• Cambio del diámetro del rodete: Recortando el diámetro exterior del rodete (modificación permanente).
• Uso de bombas en paralelo: Aumenta el caudal total para una misma altura.
• Uso de bombas en serie: Aumenta la altura total para un mismo caudal.

Bombas de Desplazamiento Positivo

Funcionamiento Básico

Entregan energía al fluido de forma directa desde la fuente motriz. Una pieza mecánica (como un pistón, engranaje, lóbulo, tornillo) genera cámaras de volumen variable que se llenan de fluido en la succión y lo fuerzan a salir por la descarga. El caudal es aproximadamente proporcional a la velocidad de accionamiento e independiente de la presión del sistema (dentro de los límites mecánicos).

Bomba de Pistón Axial

Es un tipo de bomba de desplazamiento positivo rotativa. Para modificar el caudal, se ajusta el ángulo de inclinación de la placa estacionaria (plato oscilante) contra la que apoyan los pistones. A mayor ángulo de inclinación, mayor carrera de los pistones y, por tanto, mayor caudal bombeado en cada revolución.

Componentes Principales (Bombas Centrífugas)

Partes Fundamentales

• Carcasa (Voluta o con Difusor): Contiene el rodete y dirige el flujo hacia la salida, convirtiendo velocidad en presión.
• Rodete (Impulsor): Elemento giratorio con álabes que transfiere energía al fluido.
• Eje: Transmite el par motor al rodete.
• Sellado del Eje: Evita fugas de fluido (empaquetadura, sello mecánico).
• Rodamientos (Cojinetes): Soportan el eje y permiten su giro.
• Anillos de Desgaste: Componentes de sacrificio para controlar fugas internas.
• Soportes y Bancada: Estructura de montaje.
• Indicador de Nivel de Aceite (en bombas con lubricación por aceite).
• Tapa de Presión / Cubierta.

Anillo de Desgaste

Son piezas de sacrificio, generalmente metálicas o de materiales compuestos, montadas en la carcasa, en el rodete, o en ambos, con un pequeño juego (holgura) operacional entre ellas. Su función principal es crear un sello hidráulico (una restricción al flujo) entre la región de descarga (alta presión) y la región de succión (baja presión) dentro de la bomba, minimizando así el retorno interno del líquido (fuga interna) que reduce la eficiencia. Al ser piezas diseñadas para desgastarse preferentemente, evitan el desgaste directo y la necesidad de sustituir componentes mucho más costosos como el rodete y la carcasa.

Tipos de Rodete

• Rodete Abierto: Tiene álabes unidos únicamente al cubo central (acoplado al eje de giro) y se mueve entre dos paredes laterales fijas pertenecientes a la carcasa. Es menos propenso a obstruirse, siendo adecuado para líquidos con sólidos en suspensión o alta viscosidad, aunque generalmente es menos eficiente.
• Rodete Cerrado: Dispone de paredes laterales (discos o cubiertas) a ambos lados de los álabes, que encierran totalmente los canales por donde circula el fluido, desde el ojo de entrada hasta la periferia de salida. Es el tipo más común y eficiente para líquidos limpios o con pocos sólidos.
• Rodete Semiabierto (o Semicerrado): Tiene una única pared lateral (disco trasero) a la que se unen los álabes. Gira cerca de una pared fija de la carcasa. Ofrece un compromiso entre el abierto y el cerrado.

Fenómenos Relacionados y Problemas Comunes

Erosión

Es el desgaste mecánico progresivo de las superficies internas de la bomba y tuberías, causado por el impacto de partículas sólidas (arena, lodos, catalizadores, etc.) que se encuentran en suspensión en el fluido bombeado y se desplazan a gran velocidad.

Corrosión

Es la degradación de los materiales de la bomba o tubería debido a una reacción química o electroquímica con el fluido bombeado. Ocurre por la incompatibilidad química entre el material y el líquido, resultando en una destrucción progresiva del material (oxidación, picaduras, disolución).

Golpe de Ariete

Es un fenómeno hidráulico transitorio caracterizado por fluctuaciones rápidas y violentas de presión (ondas de sobrepresión y depresión) que se propagan a través de una tubería. Se produce principalmente por una variación brusca de la velocidad del fluido, como el cierre o apertura rápida de una válvula, el arranque o parada súbita de una bomba. La inercia de la columna de líquido en movimiento provoca estas ondas de presión que pueden comprimir el líquido y expandir elásticamente la tubería, pudiendo causar daños severos a válvulas, tuberías, soportes, la propia bomba y otros accesorios del sistema.

Consideraciones Adicionales

Modificación de la Curva Característica

El cambio en el diámetro del rodete (recorte) o la variación de la velocidad de giro (RPM) provoca una modificación significativa de la curva característica de la bomba (relación Altura-Caudal, Potencia-Caudal, Rendimiento-Caudal, NPSHr-Caudal).