Consideraciones importantes en el diseño de bombas de agua

Diseñar una bomba nueva desde cero no es fácil, y no hay nada en el mercado que proporcione todas las herramientas necesarias para diseñar una bomba exactamente como se ha solicitado. Algunas de estas fuentes pueden brindar información sobre el diseño del impulsor, mientras que otras pueden ayudar con el diseño de los pasajes hidráulicos (carcasa/tazón, voluta, difusor, cruce, etc.).

Sin embargo, es la combinación de los dos componentes hidráulicos trabajando juntos lo que determinará las características de rendimiento de la bomba. Por ejemplo, si el diseño del ojo del impulsor restringe la capacidad de descentramiento de la bomba, es posible que el aumento de las áreas de flujo dentro de la voluta no tenga ningún efecto sobre el rendimiento de descentramiento. Con la falta de estandarización en el diseño hidráulico de bombas y sin dos empresas o ingenieros que utilicen exactamente los mismos métodos, fuentes o técnicas, este artículo se centrará en las consideraciones aceptadas por la industria al diseñar bombas para aplicaciones de agua potable.

La mayoría de las bombas utilizadas en aplicaciones de agua potable son del tipo rotodinámico, más específicamente, de diseño radial (o centrífugo). Esto no quiere decir que las bombas de flujo mixto o axial no se puedan usar en aplicaciones de agua potable, solo que las bombas horizontales en voladizo de succión final, en línea verticales en voladizo, de carcasa dividida horizontal y de turbina vertical (descarga a través de la columna) se usan tradicionalmente en el transferencia de agua potable. Las bombas centrífugas de agua potable están diseñadas específicamente para hacer circular o mover agua potable limpia y fresca de un lugar a otro.

Estas bombas se utilizan en una variedad de entornos, como sistemas de agua municipales, plantas de tratamiento de agua y sistemas de riego agrícola, y su diseño debe cumplir con todos los reglamentos, normas y códigos locales pertinentes. En el proceso de diseño, hay consideraciones importantes que abordar, que van desde los materiales de construcción hasta el tipo de sello mecánico y el plan de tuberías adecuado. Este artículo se centra en las consideraciones importantes para las bombas con carcasa de voluta, pero según la aplicación o el entorno, puede haber factores adicionales que afecten el diseño de la bomba.

Diseño de bomba

El diseño hidráulico de impulsores, volutas y carcasas no está estandarizado dentro de la industria de bombas y no se cubrirá. Sin embargo, hay varios factores universalmente aceptados que ayudan en el diseño hidráulico de las bombas de agua potable, y su valor debe ser conocido por todos, desde los ingenieros de diseño hasta los usuarios finales.

Al diseñar una bomba de agua potable, la eficiencia es un parámetro esencial que debe tenerse en cuenta. Se ve afectado por varios factores, como el tipo de bomba, el tamaño, la orientación y la velocidad de funcionamiento. Un factor importante que afecta la eficiencia de la bomba es la velocidad específica de la bomba. La velocidad específica (Ns) es un parámetro utilizado para describir el rendimiento de una bomba rotodinámica. Se define como un índice de rendimiento de la bomba en el punto de mejor eficiencia de la bomba (BEP), tasa de flujo y cabeza, con el impulsor de diámetro máximo y a una velocidad de rotación dada (Ecuación 1).

El índice informa al ingeniero de diseño del tipo de bomba requerida para la aplicación. Junto con el tipo de bomba, la velocidad específica establecerá la máxima eficiencia alcanzable para el diseño en particular. La eficiencia alcanzable de una bomba es la eficiencia máxima que se puede lograr para un diseño de bomba determinado según el tipo de bomba, el caudal de diseño (BEP) y la velocidad específica (Imagen 1).

Hay factores adicionales que pueden afectar la eficiencia alcanzable, como el acabado de la superficie de los conductos de flujo y las holguras de funcionamiento (anillo de desgaste) de los componentes internos de la bomba; sin embargo, su efecto sobre la máxima eficiencia alcanzable depende de la velocidad específica de la bomba (Imágenes 2 y 3). Las bombas de mayor capacidad de salida en BEP suelen tener una mayor eficiencia alcanzable que las bombas de menor capacidad cuando se diseñan para velocidades específicas similares, y comprender esta relación es crucial en el proceso de diseño.

Las transiciones del área de flujo creadas durante la etapa de diseño de succión (entrada) y desarrollo de la voluta también pueden afectar la eficiencia de la bomba. Estas transiciones deben diseñarse para minimizar las pérdidas, y esto se puede lograr minimizando los cambios repentinos en las áreas de la sección transversal y suavizando la transición desde la boquilla de succión hasta la sección del ojo del impulsor, así como desde el tajamar de la voluta (o lengüeta) hasta el boquilla de descarga Esto normalmente se hace evaluando los conductos de succión y descarga por separado y ajustando la progresión del área en la dirección del flujo. La imagen 4 muestra la típica expansión gradual de las áreas transversales en el desarrollo de la voluta desde el tajamar (o lengüeta) hasta la boquilla de descarga para una bomba horizontal de carcasa dividida (BB1).

Las consideraciones adicionales en el diseño de la bomba que no se han cubierto consisten en empuje axial y radial, vida útil del cojinete, deflexión y tensión del eje, grosor de la pared de la carcasa, número de pernos de la carcasa y el área entre las paletas del impulsor versus el área total del ojo del impulsor.

Consulte el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI)/Instituto Hidráulico (HI) 14.3-2019 Bombas rotodinámicas para diseño y aplicación y HI 20.3-2020 Predicción de eficiencia de bombas rotodinámicas para obtener información adicional.

Otra consideración crítica al diseñar una bomba de agua potable es la selección de materiales de las partes mojadas (componentes en contacto directo con el agua potable). Los materiales utilizados en la construcción de la bomba deben cumplir con todas las normas y estándares pertinentes, como los estándares NSF/ANSI 61 o FDA, y no deben contaminar el suministro de agua. El acero inoxidable, el bronce y varios plásticos son materiales comunes que se utilizan en la construcción de bombas de agua potable. La imagen 5, que es una versión modificada descrita en el Apéndice B de la Guía de aplicación de bombas del Instituto Hidráulico para bombas de plantas de tratamiento de agua, muestra los materiales típicos de construcción que cumplen con las normas y los reglamentos.

La selección del sello mecánico correcto es otra consideración crítica al diseñar una bomba de agua potable. El sello mecánico debe cumplir ciertos requisitos para garantizar que sea seguro y adecuado para su uso con agua potable y estar diseñado para evitar fugas de la bomba. También debe ser capaz de evitar la entrada de cualquier contaminante. Hay varios tipos de diseños de sellos mecánicos que pueden necesitar usarse para cumplir con los requisitos específicos de la aplicación, pero lo más común es que los sellos mecánicos simples se usen en aplicaciones de agua potable.

El diseño específico del sello mecánico utilizado variará según los requisitos de la aplicación. Los materiales aceptables para la cara del sello, el equilibrio del sello, los componentes metálicos integrados y los sellos secundarios deben tenerse en cuenta y se describen en la Guía de aplicaciones de bombas del Instituto Hidráulico para sellos mecánicos para bombas. Sin embargo, con un mayor enfoque regulatorio en las sustancias de perfluoroalquilo y polifluoroalquilo (PFAS), en el futuro, los diseñadores de bombas pueden necesitar considerar materiales alternativos para juntas, juntas tóricas, sellos de eje y empaque.

Hay varios tipos diferentes de planos de tuberías con sello mecánico que se utilizan en aplicaciones de agua potable, incluidos los planos 2, 11 y 13 (Imagen 6). El Plan 2 es una cámara de sellado sin salida sin circulación de fluido de lavado. Un Plan 11 implica la recirculación del producto desde la descarga de la bomba hasta el sello a través de un orificio o válvula de control de flujo, y un Plan 13 implica la recirculación del producto desde la cámara del sello hasta la succión de la bomba. La selección de un plan de tubería de sello dependerá de los requisitos específicos de la aplicación, incluidas las condiciones de funcionamiento, el entorno y cualquier requisito reglamentario.

Otro método de sellado del eje que se usa comúnmente en aplicaciones de agua potable es el empaque de compresión. Al seleccionar los materiales de empaque del sello para aplicaciones de agua potable, es importante elegir materiales que cumplan con los estándares y regulaciones relevantes de la industria. Los materiales comunes que se utilizan para el empaque del sello en aplicaciones de agua potable incluyen hilo sintético de politetrafluoroetileno (PTFE) trenzado, PTFE expandido trenzado o grafito. Sin embargo, consulte con el proveedor sobre materiales que cumplan con todos los reglamentos y normas pertinentes.

La facilidad con la que se puede evaluar una bomba durante el mantenimiento estándar es una consideración esencial al diseñar cualquier tipo de bomba, pero es especialmente importante en bombas responsables de suministrar agua potable a hogares, empresas e instalaciones públicas. Cualquier falla o mal funcionamiento de la bomba puede tener graves consecuencias para la salud y la seguridad públicas. Al priorizar la facilidad de mantenimiento en el diseño, los ingenieros pueden garantizar un fácil acceso a los componentes críticos que pueden necesitar ser reemplazados o reparados con el tiempo. Esto incluye impulsores, cojinetes, sellos y otras piezas que pueden desgastarse o degradarse durante el funcionamiento.

En términos de confiabilidad, es esencial elegir materiales que sean duraderos y resistentes a la corrosión, y que cumplan con todas las normas y estándares pertinentes. El diseño adecuado de la bomba para satisfacer las necesidades de la aplicación también es fundamental, ya que una bomba demasiado grande o demasiado pequeña puede provocar un desgaste acelerado, un mayor riesgo de falla y una reducción de la eficiencia energética.

El diseño de una bomba de agua potable requiere una cuidadosa consideración de varios factores importantes, que van desde el diseño hidráulico, los materiales de construcción, el sello mecánico y su plan de tuberías adecuado hasta la facilidad de mantenimiento y la confiabilidad. Teniendo en cuenta estas consideraciones, los diseñadores pueden garantizar que la bomba sea eficaz, eficiente y segura para su uso en una amplia gama de aplicaciones de agua potable.

Alex Moser es ingeniero senior de estándares y capacitación en el Instituto Hidráulico. Puede comunicarse con él en [email protected]. Para obtener más información, visite pumps.org.