BOMBAS CONTRA INCENDIO – FUNCIONAMIENTO Y DESEMPEÑO

En el presente artículo trataremos el tema del funcionamiento, operación y desempeño de las bombas centrífugas contra incendios. En un artículo anterior ya se trataron los tipos y características básicas de estas bombas.

En otros artículos también se han tratado temas relacionados con las bombas contra incendio, como la disposición de equipos en el cuarto de bombas y la tubería de succión de las bombas.

 

PRINCIPIOS DE OPERACIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGAS

Los dos componentes principales de una bomba centrífuga son un disco, llamado impulsor, y la carcasa dentro de la cual gira (ver Figura 1). Funciona convirtiendo la energía cinética en energía de presión al girar el impulsor, por intermedio del eje al cual está acoplado y que es accionado por un motor.

 

Figura 1

Las bombas centrífugas requieren que el agua esté disponible en la entrada de succión con suficiente energía. Estas bombas no pueden aspirar el agua hacia la carcasa de la bomba.

La manera como se convierte la energía varía según el tipo de bomba. Las principales clases de bombas contra incendios se conocen como de flujo radial y de flujo mixto. Se identifican por la dirección en la que fluye el agua a través del impulsor, con referencia al eje de rotación (ver Figura 2).

Flujo Radial Flujo Mixto

Figura 2

La bomba de voluta de doble aspiración, de eje horizontal y una etapa es el tipo que se aplica más comúnmente al servicio de protección contra incendios. En estas bombas, el flujo de agua que pasa por la succión se divide en la carcasa y entra al impulsor por ambos lados, a través de la abertura llamada el «ojo» (ver Figura 3).

Figura 3

El agua entra por el ojo del impulsor y queda atrapada entre los álabes. La rotación del impulsor empuja el agua por fuerza centrífuga desde el ojo hasta el borde exterior a través de los canales, proporcionándole velocidad; al abandonar el impulsor choca contra la pared interna de la voluta de la carcasa disminuyendo bruscamente la velocidad centrífuga, convirtiéndose en presión. El agua se conduce a través de la voluta interna de la carcasa en un canal de escape creciente. A medida que se incrementa el canal, la energía cinética adquirida por el agua debido al giro del impulsor, también se convierte en energía de presión, dada la disminución gradual de la velocidad de rotación, hasta que sale por la descarga de la bomba.

Para proporcionar alta presión, se ensamblan dos o más impulsores y carcasas en un eje como una sola unidad, formando una bomba de etapas múltiples (ver Figura 4). La descarga de la primera etapa ingresa a la succión de la segunda etapa, la descarga de la segunda etapa ingresa a la succión de la tercera, y así sucesivamente. La capacidad de la bomba es la de una etapa; la calificación (rating) de presión es la suma de las calificaciones de presión de las etapas individuales, menos una pequeña pérdida.

Bomba de 2 etapas Bomba de 3 etapas

Figura 4

La capacidad de una bomba centrífuga se rige principalmente por la velocidad del motor, el diámetro del ojo y la altura de los álabes del impulsor. La presión o altura que puede generar la bomba se rige principalmente por la velocidad del motor y el diámetro del impulsor.

ALTURA (PRESIÓN) TOTAL DE LA BOMBA

La altura o la presión total de una bomba es la energía impartida al agua a medida que pasa a través de ella. Puede expresarse en varias unidades de presión, pero para protección contra incendios generalmente se indica en libras por pulgada cuadrada (psi) o kilopascales (kPa), o en pies o metros de agua medidos verticalmente.

La altura total (H) de una bomba se calcula restando la energía en el agua entrante de la energía en el agua que descarga. Se calcula mediante la ecuación siguiente:

H: Altura total
hd: Altura de descarga
hvd: Altura de velocidad en la descarga
hs: Altura de succión
hvs: Altura de velocidad en la succión

 

Para una bomba horizontal de carcasa partida, las alturas individuales se miden en la brida de la descarga (hd) y en la brida de la succión (hs). Se leen en los manómetros unidos a las bridas. La altura de velocidad se calcula para el volumen de líquido que pasa a través de las bridas. Si las bridas tienen los mismos diámetros, no habrá diferencia entre la velocidad entrante y la saliente, y el cálculo puede omitirse.

Una expresión para la altura de velocidad es:

V: velocidad promedio
g: aceleración de la gravedad

 

CURVAS DE DESEMPEÑO DE BOMBAS

Las curvas de desempeño de una bomba centrífuga son las siguientes (ver Figura 5 donde se muestran curvas típicas):

  1. Altura total (H) versus capacidad (Q)
  2. Potencia al freno (H) versus capacidad (Q)
  3. Eficiencia versus capacidad (Q)
  4. NPSHr versus capacidad (Q)

 

Figura 5

Las curvas de desempeño indican que la bomba funcionando a una velocidad indicada (rpm) descargará un cierto caudal (Q) de agua, a una cierta presión o altura (H), mientras consume una potencia (P) específica, y para esos parámetros requiere una cierta NPSH mínima en la succión (ver más abajo). Estas curvas suponen que la bomba funciona a una velocidad constante, igual a sus revoluciones por minuto (rpm) nominales. En el servicio real, la velocidad del motor varía con los cambios en el caudal.

Las curvas de desempeño de la bomba son obtenidas en bancos de ensayo en fábrica; cada bomba tiene sus propias curvas particulares. No existen “curvas genéricas”.

CURVA DE DESCARGA vs ALTURA (H-Q)

La forma de la curva característica estándar de una bomba contra incendios está determinada por tres puntos limitantes: el cierre, el nominal y la sobrecarga.

Punto de Cierre

Una bomba puede elevar el agua en un tubo vertical hasta un punto donde el peso del agua y la gravedad no permitirán más elevación. La energía contenida en el peso del agua es la misma que la energía producida por la bomba. Este punto en la curva de la bomba sería la «altura de cierre» (shut-off). Este es el punto de elevación máxima con caudal cero. En este punto la altura total para una bomba contra incendios debe estar entre el 100 y el 140 por ciento de la altura de su presión nominal. Por lo general, el punto de cierre está alrededor del 120% de la presión nominal.

Punto Nominal (Rating)

La altura total nominal es la cantidad de energía proporcionada al agua a medida que pasa a través de la bomba cuando ésta está operando a su capacidad y velocidad nominales.

El punto nominal es el que normalmente se especifica para la selección de la bomba. La norma NFPA 20 establece valores estandarizados de capacidad para las bombas a utilizar en sistemas contra incendio; por lo tanto, se especifica el caudal que mejor se adapte a los requerimientos del diseño, y a ese caudal nominal corresponderá una altura nominal según la curva característica de la bomba. El punto nominal de la bomba no necesariamente corresponde con el punto de operación.

Sobrecarga

Es el 150% de la capacidad nominal de la bomba. La altura total en el punto de sobrecarga para una bomba contra incendios no debe ser inferior al 65% de la carga total nominal. La curva característica de la bomba debe pasar a través o por encima del punto de sobrecarga. La mayoría de las bombas contra incendios tienen curvas con un margen por encima de la sobrecarga teórica.

Más allá del punto de sobrecarga la bomba tiene alta probabilidad de entrar en cavitación.

POTENCIA DE BOMBAS CONTRA INCENDIOS

Antes de dotar a una bomba con su motor, es necesario conocer la demanda máxima de potencia absorbida en el eje de la bomba a la velocidad nominal.

La demanda de potencia de la bomba se puede determinar directamente a partir de la curva de potencia proporcionada por el fabricante. Las bombas contra incendio típicas alcanzan la potencia absorbida máxima entre el 140 y el 170 por ciento de su capacidad nominal. El motor se selecciona a la demanda máxima de potencia de la bomba a la velocidad nominal.

Los motores Diésel diseñados específicamente para uso con bombas contra incendios se califican midiendo la potencia desarrollada con todos los accesorios en funcionamiento y luego haciendo una concesión de no menos del 10% por uso y desgaste. Por ello, generalmente la potencia del motor para una bomba es menor cuando es accionada con motor eléctrico.

EFICIENCIA

La eficiencia es la relación entre la potencia útil y la potencia absorbida por la bomba. Esta última siempre es mayor dado que ocurren pérdidas hidráulicas y mecánicas en el conjunto bomba-motor.

Para las bombas contra incendios, la mejor eficiencia puede ser del orden del 80%, y normalmente ese valor se alcanza entre el punto nominal y el punto de sobrecarga. Valores normales de eficiencia están entre 65 y 75 por ciento. La bomba debería seleccionarse para que opere cerca de su punto de mejor eficiencia, preferiblemente a la izquierda de ese punto.

ALTURA DE SUCCIÓN POSITIVA NETA

La altura de succión positiva neta (NPSH, por sus siglas en inglés) es la altura de presión que hace que el agua fluya a través del tubo de succión y los accesorios hacia el ojo del impulsor de la bomba. La bomba en sí no tiene la capacidad de aspirar, y la presión de succión depende de la naturaleza del suministro. La NPSH toma en consideración las tuberías y accesorios de succión, la elevación y la presión absoluta del agua en la tubería, la velocidad y la temperatura del agua. Algunos de estos factores agregan energía al agua y otros restan energía a medida que se mueve hacia la bomba. Debe haber suficiente energía en el agua para que el impulsor la convierta en presión y flujo.

Podría decirse que la NPSH es la razón por la cual en las bombas la boquilla de succión generalmente es más grande que la boquilla de descarga.

Hay dos tipos de NPSH a considerar. La NPSH requerida (NPSHr) y la NPSH disponible (NPSHd). Normalmente se expresan en pies o metros de altura.

La NPSH requerida es la energía requerida en el agua para superar las pérdidas por fricción desde la boquilla de succión hasta el ojo del impulsor sin causar vaporización. Es una característica propia de la bomba y es una función de su diseño. Se determina mediante pruebas. Los fabricantes publican los valores de la NPSHr en sus curvas de desempeño. Varía con la capacidad y la velocidad la bomba.

La NPSH disponible es la energía en el agua en la conexión de succión de la bomba por encima de la presión de vapor del agua. Es una función del sistema en el que opera la bomba, es decir, todas las tuberías y accesorios en el lado de succión. Se calcula una vez que se tiene definido el diseño del sistema de bombeo. Como guía general, se recomienda que la NPSHd esté como mínimo un 10% o 3 pies por encima de la NPSHr, lo que sea mayor, para garantizar el buen desempeño de la bomba y evitar que entre en cavitación.

LEYES DE AFINIDAD DE BOMBAS

Las relaciones matemáticas entre la altura, capacidad, potencia, velocidad y el diámetro del impulsor se denominan leyes de afinidad de la bomba. La Ley #1 asume un diámetro de impulsor constante variando la velocidad (rpm). La Ley #2 asume una velocidad (rpm) constante con cambio de diámetro del impulsor.

Ley 1: Manteniendo el diámetro de impulsor constante, al variar la velocidad de la bomba el caudal cambia linealmente; la altura cambia proporcionalmente con el cuadrado de la relación entre velocidades y la potencia absorbida cambia proporcionalmente con el cubo de la relación entre velocidades. Se expresa en forma de proporción, como sigue:

Ley 2: Manteniendo la velocidad de la bomba constante, al variar el diámetro de impulsor, el caudal cambia linealmente; la altura cambia proporcionalmente con el cuadrado de la relación entre diámetros y la potencia absorbida cambia proporcionalmente con el cubo de la relación entre diámetros. Se expresa en forma de proporción, como sigue:

Q: Caudal
H: Altura
S: Velocidad
P: Potencia
D: Diámetro

 

Las leyes de afinidad para bombas se deben aplicar cuando se propongan cambios en una instalación de bomba contra incendios. Por ejemplo, sustituir motor por otro de velocidad diferente. Una mayor velocidad aumentaría significativamente la demanda de energía e incrementaría la presión de descarga, lo que podría ser contraproducente.

La Ley 1 de afinidad es la razón por la cual no se permite que los motores diésel incrementen su velocidad más allá del 10% de su velocidad nominal, ya que la presión mayor podría afectar los componentes del sistema.

Si la velocidad aumenta un 10%, es decir, S2 = 1,1xS1, resultará una altura H2 expresada como sigue:

Lo que indica que la altura se incrementaría en un 21%. Este es el fundamento del parágrafo 4.20.1.2 de la norma NFPA 20-2019.

La Ley 1 de afinidad también permite que se puedan utilizar controladores para motores eléctricos de bomba de velocidad variable para regular la presión de descarga.

Las leyes de afinidad permiten a los fabricantes utilizar una misma bomba para caudales nominales diferentes, ya sea utilizando un impulsor más grande (o más pequeño), o acoplándole un motor de diferente velocidad. Al realizar cualquiera de estos cambios se obtiene una familia de curvas de desempeño para la bomba (ver Figura 6).

Figura 6

En la figura puede observarse una familia de curvas para una bomba de capacidad nominal 750 gpm; se representan las curvas de desempeño para diferentes diámetros del impulsor y para la misma velocidad. Puede verse que un mayor diámetro genera una mayor altura para el mismo caudal.

Una familia de curvas similar se puede representar para diferentes velocidades de rotación de la bomba, donde una mayor velocidad generaría una mayor altura para el mismo caudal.

 

Ing. Luis Ybirma
Caracas – Venezuela

 

Fuentes:
  • NFPA Fire Protection Handbook, Twentieth Edition
  • NFPA 20: Standard for the Installation of Pumps for Fire Protection. Edición 2.019
  • Know and Understand Centrifugal Pumps. Larry Bachus & Angel Custodio. Elseiver Ltd. UK. 2.003
  • Datos Técnicos de Hidráulica. Bombas. Oficina de Ingeniería Bombas Ideal, S.A. Valencia, España.

Notas:
1. El contenido de este artículo no es una Interpretación Formal de NFPA. Lo aquí expresado es la interpretación personal del autor y no necesariamente representa la posición oficial de las normas NFPA y sus Comités Técnicos. Por otra parte, el lector es libre de estar de acuerdo o no con lo aquí expresado.
2. Todas las imágenes y marcas comerciales que se publican en este Blog son marcas registradas por sus propietarios, y se utilizan sólo con fines didácticos e informativos.

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