INTRODUCCIÓN

En el presente artículo trato el tema del funcionamiento, operación y desempeño de las bombas centrífugas para el servicio contra incendios. En un artículo anterior ya se trataron los tipos y características básicas de estas bombas. Otros artículos en este Blog tratan 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.

Por sus características hidráulicas, las bombas centrífugas son las más comunes en los sistemas de extinción de incendios; aunque para algunos sistemas especiales se utilizan bombas de desplazamiento positivo. Por otro lado, las bombas centrífugas utilizadas en los sistemas contra incendios presentan particularidades que las diferencian de las bombas empleadas en otros campos; deben cumplir ciertos requerimientos establecidos en la normativa inherente.

NORMA DE REFERENCIA PARA BOMBAS CONTRA INCENDIO

La norma por excelencia aceptada en América para bombas contra incendios es la NFPA 20, Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection. Esta norma no propone la obligación de instalar una bomba. La decisión de utilizar una bomba es parte del proceso de diseño del sistema de extinción, como un medio para satisfacer la demanda de suministro de agua. El propósito de NFPA 20 es especificar cómo instalar una bomba correctamente y qué componentes, equipos y fuentes de alimentación son aceptables.

PRINCIPIOS DE OPERACIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGAS

Los dos componentes principales de una bomba centrífuga son un disco, llamado impulsor o rotor, y la carcasa dentro de la cual gira. 

Las bombas centrífugas funcionan convirtiendo la energía cinética en energía de presión, aprovechando la fuerza centrífuga generada por el giro del impulsor, por intermedio del eje al cual está acoplado y que es accionado por un motor.

El agua ingresa a la bomba por la succión y al pasar por el ojo del impulsor aumenta su velocidad. La fuerza centrífuga creada por el giro del impulsor empuja el fluido hacia el borde, canalizado a través de los álabes. Al pasar por los canales se incrementa la presión en el agua debido a que la velocidad disminuye. Al salir del impulsor, el agua choca contra la voluta y es conducido hacia la descarga. La forma divergente de la voluta hace que la presión aumente, dado que ocurre una disminución en la velocidad.

CLASES DE BOMBAS CONTRA INCENDIO DE ACUERDO AL FLUJO

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.

La bomba de voluta de doble aspiración, de eje horizontal y una etapa es el tipo que más comúnmente se utiliza en los sistemas 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 «ojo«.

BOMBAS CONTRA INCENDIO DE ALTA PRESIÓN

Para proporcionar alta presión, se ensamblan dos o más impulsores en un eje dentro de la carcasa como una sola unidad, formando una bomba de etapas múltiples. 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.

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 UNA BOMBA CENTRÍFUGA

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, mediante la ecuación siguiente:

H: Altura total
h_d: Altura de descarga
h_vd: Altura de velocidad en la descarga
h_s: Altura de succión
h_vs: Altura de velocidad en la succión

Para una bomba horizontal de carcasa partida, las alturas individuales se miden en la brida de la descarga (h_d) y en la brida de la succión (h_s). Se leen en los manómetros unidos a las bridas. La altura de velocidad se calcula para el volumen de agua que pasa a través de las bocas de succión y descarga. Si las bocas tienen el mismo diámetro 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 CONTRA INCENDIO

Las curvas de desempeño de una bomba centrífuga son las siguientes:

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

Curvas de desempeño típicas de bombas centrífugas

Las curvas de desempeño indican que la bomba funcionando a una determinada velocidad descargará un cierto caudal (Q), a una cierta presión o altura (H), mientras consume una potencia (P) específica, y para eso requiere una cierta NPSH mínima.

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 un poco 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. Al adquirir una bomba contra incendios debe solicitarse al fabricante las curvas certificadas.

CURVA DE ALTURA TOTAL vs CAPACIDAD (H-Q)

La forma de la curva característica estándar de una bomba contra incendio está determinada por tres puntos limitantes: cierre, nominal y 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), es decir, cuando el caudal es 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)

Es el punto de diseño de la bomba. Lo asigna el fabricante. La altura total nominal es la cantidad de energía proporcionada al agua a medida que pasa a través de la bomba cuando ésta opera a su caudal y velocidad nominales.

El punto nominal es el que generalmente se especifica cuando se selecciona 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. Importante aclarar que el punto nominal de la bomba no corresponde con el punto de operación del sistema.

Punto de Sobrecarga

Corresponde al 150% del caudal 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 altura 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.

POTENCIA DE BOMBAS CONTRA INCENDIO

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. El motor debe tener la capacidad de satisfacer toda la curva de la bomba. La demanda de potencia de la bomba se puede conocer directamente a partir de la curva de potencia proporcionada por el fabricante.

Las bombas contra incendio típicas alcanzan el requerimiento de potencia máxima entre el 140 y el 170 por ciento de su capacidad nominal. El motor se selecciona para la demanda máxima de potencia a la velocidad nominal.

Los motores Diésel diseñados específicamente para uso con bombas contra incendio 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 DE BOMBAS CONTRA INCENDIO

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 incendio, 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. Al no tener capacidad de aspirar, la bomba depende de la naturaleza del suministro y de la presión en la succión.

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 la restan a medida que se mueve hacia la bomba.

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

NPSH requerida

La NPSH requerida es la energía que debe contener el agua para superar las pérdidas por fricción desde la boca de succión hasta el ojo del impulsor sin causar vaporización. Es una característica propia de la bomba y es función de su diseño. Se determina mediante prueba en fábrica.

Los valores de la NPSHr  los publica el fabricante en las curvas de desempeño de la bomba. Varía con la caudal y la velocidad la bomba.

NPSH disponible

La NPSH disponible es la energía del agua en la 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, se relaciona con las tuberías, válvulas y accesorios que conforman el trayecto de succión, incluyendo también la presión que normalmente existe en ese lado del sistema. 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 CENTRÍFUGAS

Las relaciones matemáticas entre la altura, capacidad, potencia, velocidad y diámetro del rotor se denominan leyes de afinidad de bombas.

La Ley de afinidad #1 asume un diámetro de rotor constante y que la velocidad de giro (rpm) varía.

La Ley de afinidad #2 asume una velocidad de giro (rpm) constante y que el diámetro del rotor cambia.

LEY DE AFINIDAD #1

Al variar la velocidad de giro (S) el caudal (Q) cambia linealmente; la altura (H) cambia proporcionalmente con el cuadrado del cociente de velocidades y la potencia (P) absorbida cambia proporcionalmente con el cubo del cociente de velocidades.

Se expresa en forma de proporción, como sigue:

LEY DE AFINIDAD #2:

Al variar el diámetro (D) de impulsor, el caudal (Q) cambia linealmente; la altura cambia proporcionalmente con el cuadrado del cociente de diámetros y la potencia absorbida cambia proporcionalmente con el cubo del cociente de diámetros.

Se expresa en forma de proporción, como sigue:

APLICACIÓN DE LAS LEYES DE AFINIDAD

Las leyes de afinidad para bombas se deben aplicar cuando se propongan cambios en una instalación de bomba contra incendio. Por ejemplo, sustituir el 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 de afinidad #1 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 de afinidad #1 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.

Familia de curvas de desempeño para bomba vertical tipo turbina

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. Nótese 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.
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