Transporte de Fluidos por Tuberías Introducción El transporte de fluidos por conducciones es de gran importancia en muchos procesos industriales. En el estudio del transporte de fluidos debe conocerse inicialmente de qué tipo de fluido se trata, para lo cual debe realizarse una clasificación de ellos: A) Según el comportamiento que presentan bajo la acción de presiones externas, los fluidos pueden ser: compresibles e incompresibles. Cuando el volumen del fluido es independiente de su presión y temperatura se trata de un fluido incompresible; por el contrario, si su volumen varía, el fluido es compresible. En la realidad ningún fluido es incompresible, aunque los líquidos pueden considerarse como tales. Por contra, en los gases se presenta una gran variación de la compresibilidad con la presión y temperatura. B) Según los efectos que producen los esfuerzos cortantes sobre un fluido, estos se pueden clasificar en newtonianos y no newtonianos, según sigan o no la ley de Newton de la viscosidad, lo que determinara el tipo de perfil de velocidades del fluido en el interior de las conducciones.
Tipos de flujos de fluidos Los fluidos pueden ser compresibles (gases) o incompresibles (líquidos) dependiendo de si su densidad varía apreciablemente con la presión o se mantiene constante, respectivamente. De la misma forma, los flujos de fluidos se clasifican en flujos compresibles o incompresibles en función de la variación de la densidad a lo largo del desplazamiento del fluido. Los flujos de líquidos son siempre incompresibles, su densidad permanece prácticamente constante incluso cuando la presión cambia durante el flujo. Por el contrario, los flujos de gases pueden ser compresibles o incompresibles ya que su densidad se ve inmediatamente afectada por variaciones de la presión o de la temperatura. El flujo de gases se puede considerar incompresible cuando la densidad y, por tanto, la presión se mantiene constantes a lo largo del flujo. Existen otros criterios de clasificación de los flujos de fluidos. Atendiendo a la situación relativa del fluido respecto de las superficies sólidas c o n las que está en contacto se distinguen dos tipos de flujo: Flujo interno. El fluido se desplaza totalmente rodeado por la superficie sólida. Es el caso de circulación de fluidos por el interior de tuberías y conducciones. Flujo externo. El fluido circula alrededor de un sólido sumergido en su seno. Un ejemplo característico es el flujo de gases o líquidos a través de lechos de partículas sólidas. Dependiendo del número real de fases presentes en el seno del fluido, el flujo puede ser monofásico o bifásico. Asimismo, en función de cuál sea el mecanismo a nivel microscópico por el que se desarrolla el desplazamiento del fluido, se pueden distinguir diferentes tipos de flujos o regímenes de circulación. Este hecho fue puesto de manifiesto por primera vez por Reynolds en 1874. Al inyectar un colorante en el seno de una corriente líquida que circula por el interior de una conducción, observó que la persistencia o no de un hilo de colorante a lo largo del flujo dependía de la velocidad media del fluido: Operaciones Unitarias Enológicas – Transporte de Fluidos por Tuberías
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• Para valores bajos de velocidad (V), el hilo de colorante conservaba su identidad a lo largo de la conducción y se desplazaba en línea recta, lo que indica que el líquido se mueve en forma de láminas o capas longitudinales sin que exista transporte ni mezcla en dirección transversal. Este tipo de flujo se denomina régimen laminar. • Al aumentar la velocidad (V), se alcanzaba un valor crítico para el cual las capas longitudinales eran sustituidas por remolinos que terminaban por provocar la completa desaparición del hilo de colorante. Con ello, se pone de manifiesto que, en este caso, además del movimiento en dirección longitudinal, existe una importante mezcla transversal. Este tipo de flujo recibe el nombre de régimen turbulento. En un punto determinado, se forman continuamente remolinos que, a continuación, se rompen para originar otros más pequeños. Como consecuencia, la presión, así como la magnitud y dirección de la velocidad del fluido en ese punto, fluctúan continuamente a lo largo del tiempo. En régimen turbulento, se distingue entre valores instantáneos y valores medios de ambas variables, de forma que la amplitud de las fluctuaciones alrededor del valor medio es una medida directa de la intensidad de la turbulencia. El paso de régimen laminar a turbulento no sólo depende de la velocidad del fluido, sino que hay que tener en cuenta otras variables como el diámetro de la conducción (D), la densidad (ρ) y la viscosidad (μ) del fluido. Todas ellas se pueden englobar en el número adimensional de Reynolds (Re):
Criterios para flujo laminar Este módulo es una medida de la razón entre las fuerzas de inercia y las viscosas o de rozamiento en cada punto de un fluido en movimiento. A continuación, se dan los tipos de régimen de circulación según el valor del número de Reynolds: Re < 2.100 Régimen laminar. 2.100 < Re < 4.000 Régimen de transición. 4.000 < Re < 10.000 Régimen prácticamente turbulento. 10.000 < Re Régimen turbulento.
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Para valores de Re comprendidos entre 2.100 y 8.000 se da una situación intermedia poco definida, denominada régimen de transición. En estas condiciones el mayor o menor grado de turbulencia depende de factores secundarios como pueden ser la rugosidad de la pared de la conducción o la existencia de perturbaciones bruscas del flujo en un momento determinado.
Bombas Para que los líquidos puedan circular a través de las tuberías, en la mayoría de los sistemas es necesario comunicarles energía mecánica, mediante dispositivos mecánicos conocidos como bombas.
Pérdida de energía por rozamiento La energía mecánica que se disipa debido al rozamiento que experimenta el fluido durante su desplazamiento depende de numerosos factores: características geométricas de la conducción, propiedades físicas y tipo de comportamiento reológico del fluido, régimen de circulación, características superficiales de la pared de la tubería, presencia de diferentes tipos de accidentes, etc.
Cálculo de la energía de impulsión La estimación de la energía o potencia que hay que comunicar al fluido mediante una máquina para conseguir su desplazamiento de un punto a otro de la instalación se suele realizar basándose en la ecuación de conservación de energía mecánica. La razón por la que se debe suministrar energía al fluido que se está transportando, es debido a que cuando el líquido circula por una tubería pierde energía mecánica por la fuerza de rozamiento que existe en las paredes de la tubería, o bien, porque el trabajo suministrado por la bomba se convierte en energía cinética, potencial o de presión. Esta energía que se le debe transferir al sistema es precisamente el termino W que aparece en el balance de energía mecánica o ecuación de Bernoulli:
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Generalmente, en los problemas de bombeo de fluidos, los tĂŠrminos de esta ecuaciĂłn suelen utilizarse en forma de las denominadas cargas, que son los diferentes tĂŠrminos de energĂa divididos por el valor de g. Puede observarse que el anĂĄlisis de dimensiones de estas cargas resulta en una sola que es la de longitud, la cual corresponde a unidades de metros en el Sistema Internacional. De esta observaciĂłn, se puede interpretar que la energĂa de cada tĂŠrmino de la ecuaciĂłn representa la altura a la que puede elevarse la masa de1 kg de fluido. De este modo, la ecuaciĂłn de Bernoulli conduce a la forma explĂcita siguiente:
Ě&#x201A; â &#x201E;đ?&#x2018;&#x201D;se suele representar por H, que es la carga que realiza la bomba sobre ExpresiĂłn en la que đ?&#x2018;&#x160; el fluido. Los demĂĄs tĂŠrminos se denominan carga estĂĄtica, carga cinĂŠtica o de velocidad, carga de presiĂłn y perdida de carga por fricciĂłn.
CaracterĂsticas de una bomba En las bombas aparecen ciertas variables caracterĂsticas, que son las que a continuaciĂłn se exponen. Para ello, todas las definiciones que se realizaran estĂĄn referidas a la figura.
Carga de aspiraciĂłn La carga de aspiraciĂłn se identifica a la suma de las cargas estĂĄtica, cinĂŠtica y de presiĂłn en el punto de succiĂłn de la bomba. Es decir, es el valor de la energĂa que posee el fluido en la boca de succiĂłn o de aspiraciĂłn, y por tratarse de una carga, esta expresada en metros de lĂquido. Esto es:
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Carga de impulsiĂłn De manera anĂĄloga a la carga de aspiraciĂłn, la de impulsiĂłn es la suma de las cargas estĂĄtica, cinĂŠtica y de presiĂłn en el punto de descarga de la bomba. Representa la energĂa disponible, expresada en metros de lĂquido, que posee el fluido a la salida de la bomba para que circule hasta el punto final del sistema.
Carga total de la bomba La carga total que puede desarrollar la bomba se define como la diferencia entre las cargas de impulsiĂłn y de aspiraciĂłn:
con lo cual, si se tienen presentes las ecuaciones obtenidas anteriormente, la carga total se expresa segĂşn las ecuaciones:
que expresada en funciĂłn de dos puntos del sistema de circulaciĂłn se tiene:
en la que đ??¸Ě&#x201A;đ?&#x2018;&#x201C;1 + đ??¸Ě&#x201A;đ?&#x2018;&#x201C;2 = đ??¸Ě&#x201A;đ?&#x2018;&#x201C; son las pĂŠrdidas totales de energĂa mecĂĄnica. Como es lĂłgico, esta ecuaciĂłn corresponde al balance total de energĂa mecĂĄnica a travĂŠs de todo el sistema de transporte. La carga total necesaria para impulsar el lĂquido es mayor cuanto mĂĄs grande es el flujo que debe circular a travĂŠs de la tuberĂa, ya que las pĂŠrdidas de carga aumentan en proporciĂłn a la cantidad de volumen desplazado.
Carga neta positiva de aspiraciĂłn. CavitaciĂłn La cavitaciĂłn es un fenĂłmeno que se produce cuando la presiĂłn en algĂşn punto de la corriente liquida se hace menor que la presiĂłn de vapor del lĂquido a la temperatura de trabajo. Este descenso en la presiĂłn hace que el lĂquido se vaporice, apareciendo burbujas (ÂŤcavidadesÂť) en el seno de la corriente liquida. Esta corriente arrastra las burbujas hasta zonas de mayor presiĂłn en las que desaparecen, produciĂŠndose un aumento local de la presiĂłn que puede afectar al sistema de transporte, lo que ocasiona el deterioro de esta. Este fenĂłmeno de cavitaciĂłn produce una disminuciĂłn de las presiones de aspiraciĂłn y de descarga de la bomba, pudiendo provocar que esta se vaciĂŠ de lĂquido. Para evitar este fenĂłmeno, la bomba debe trabajar bajo ciertas condiciones. Para conocer estas condiciones de trabajo se define la carga neta positiva de aspiraciĂłn CNPA (en inglĂŠs NPSH, net positive suction head), que es la diferencia entre la carga de aspiraciĂłn y la presiĂłn de vapor del:
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Si aparece cavitación, para eliminar este fenómeno suele disminuirse el caudal de circulación del líquido mediante una válvula colocada en el punto de impulsión, o bien disminuyendo la temperatura del líquido, ya que con ello se logra disminuir la presión de vapor de este.
Punto de instalación de una bomba Uno de los aspectos más conflictivos en el diseño de tuberías es saber en qué punto debe colocarse la bomba, para que el fluido pueda circular sin que se produzca cavitación. El punto de instalación debe ser tal que la carga neta positiva de aspiración absoluta sea por lo menos igual a la requerida. Puede presentarse el caso de dispositivos ya instalados y mal calculados, en los que se produce cavitación, es decir, Pa < Pv. Para evitar esta cavitación existen diferentes soluciones. Una de ellas es aumentar el valor de la presión en el punto de aspiración bajando la altura a la que se halla la bomba, o bien cambiando su punto de instalación disminuyendo la distancia del punto 1 hasta el de aspiración. También se puede aumentar la presión del punto de aspiración disminuyendo el caudal de circulación, que hace que las pérdidas de energía mecánica disminuyan. Otra forma de evitar la cavitación es disminuir la presión de vapor del líquido, disminuyendo la temperatura de circulación de este.
Potencia de la bomba Una vez calculado el punto en que se va a instalar la bomba, debe determinarse la potencia que se necesita para hacer circular el fluido entre los puntos de carga y descarga. Para ello, nuevamente se aplica el balance de energía mecánica entre dichos puntos:
A partir de esta ecuación se obtiene W, que es la energía o trabajo por unidad de masa que debe suministrarse al fluido para que circule. La potencia de la bomba se calcula a partir de la siguiente ecuación:
en la que w es el flujo o caudal másico de circulación del fluido. De esta manera, si W esta expresado en J/kg y w en kg/s la potencia de la bomba tendrá unidades de vatios (J/s).
Rendimiento de una bomba La potencia de la bomba expresada en el apartado anterior corresponde a la potencia teórica o útil que debe recibir el fluido para que pueda circular a través del sistema. Sin embargo, se observa que en la realidad es necesario aplicar una potencia superior a la teórica. Ello se debe a que existen perdidas de energía mecánica en las partes móviles de la bomba, debidas tanto a rozamientos con las superficies como a la forma de los alabes, así como a las pérdidas de caudal hacia el exterior, rozamientos en cojinetes, entre otros.
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La potencia real o de accionamiento de la bomba puede calcularse a partir de la potencia teórica si se conoce la eficiencia de trabajo de la bomba y del motor que la impulsa. Si el rendimiento o eficiencia de la bomba (Φ) se define como la relación entre la energía captada por el fluido y la consumida por el motor que acciona la bomba. La potencia real de la bomba es expresada por la siguiente relación:
Bombas de Circulación Las bombas para transportar y elevar líquidos son unas de las maquinas más importantes y frecuentes que se pueden encontrar en las bodegas, utilizándose desde el transporte de la vendimia, pasando por el movimiento de vinos en los sucesivos trasiegos entre recipientes, o como medio de alimentación de diversas maquinas, como por ejemplo filtros, centrifugas, llenadoras, etc. Las bombas alimentarias de uso enológico deben cumplir las siguientes condiciones: — Funcionamiento en régimen continuo, sin choques ni turbulencias. — Polivalencia en el movimiento de mostos cargados de turbios o de vino limpios. — Funcionamiento estanco, impidiendo la total entrada de aire en el mosto o vino transportado. — Capacidad de regulación de caudales y presiones. — Bombas siempre impulsoras, pero también con capacidad de aspiración o auto aspirantes. — Maquinaria fácil de limpiar, sobre todo en su interior sobre los restos de mosto o vino. — Construcción con materiales inertes a los mostos o vinos, y resistentes frente a posibles corrosiones por los ácidos. — Instalación sobre ruedas o carretilla para facilitar su transporte en la bodega.
Tipos de bombas Exceptuándose las situaciones donde puede utilizarse la gravedad para mover el líquido o componentes de este, debe utilizarse algún tipo de energía mecánica para vencer las fuerzas opuestas al transporte de líquido. Los dos tipos de bombas más utilizadas en la industria alimentaria son la centrífuga y la de desplazamiento positivo. Existen variaciones dentro de cada tipo, pero los principios de funcionamiento son los mismos dentro de cada uno de ellos.
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Selección de la bomba: 1. Empezar en la viscosidad del fluido. 2. Subir hasta el diámetro de la tubería. 3. Desplazarse a la izquierda hasta el caudal. 4. Bajar hasta la longitud de la tubería. 5. Desplazarse a la derecha para hallar la diferencia de presión.
Caudal en circulación por gravedad: 1. Empezar en la viscosidad del fluido.
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2. Subir hasta el diámetro de la tubería. 3. Tantear la diferencia de presión. 4. Desplazarse a la izquierda hasta la longitud de tubería. 5. Subir hasta encontrar el punto de 2. 6. Leer el caudal
El mejor sistema de regulación de caudal consiste en hacer variar la velocidad de giro o del movimiento de los órganos de impulsión de las bombas, haciéndolo mediante reguladores de velocidad por variación de frecuencia de los motores eléctricos. Las limitaciones de giro vienen impuestas por la velocidad de régimen del motor como máxima, y como mínima por las condiciones de refrigeración del motor por el ventilador que lleva acoplado; aunque existen modelos que llevan otro pequeño motor independiente para asegurar esta ventilación y así permitir el giro del motor a velocidades muy bajas. La potencia absorbida por el eje de la bomba viene dada por la siguiente expresión:
ρ: densidad del líquido (kg/dm3). Q: caudal a elevar (litros/segundo). Hm: altura manométrica total (metros). ηb = 0,65: rendimiento mecánico de la bomba.
Bombas volumétricas Las bombas de pistones son maquinas donde uno o varios émbolos se mueven dentro de los correspondientes cilindros, en un movimiento alternativo de aspiración e impulsión, accionados por un motor eléctrico y otros mecanismos de transmisión. Dos válvulas de aspiración e impulsión situadas en la parte inferior de los cilindros permiten el movimiento del líquido a impulsos; pudiendo ser amortiguado mediante una cámara de expansión o de compensación de presión Operaciones Unitarias Enológicas – Bombas de Circulación
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situada a la salida de la válvula de impulsión, donde se coloca un presostato para regular o limitar la presión de funcionamiento de la máquina. Las válvulas suelen estar construidas por unas bolas de goma situadas dentro de unos asientos perforados por donde circula el líquido.
Estas bombas generalmente disponen de uno o dos pistones con cilindros ambos actualmente construidos en acero inoxidable, con rendimientos que oscilan entre los 5.000 a 100.000 litros por hora, potencias entre 1,5 a 15,0 kW, y a unas presiones máximas de 2,0 a 2,5 bar; funcionando frecuentemente a dos velocidades, y siendo reversibles para poder invertir el sentido de la circulación. Son las bombas enológicas por excelencia, por su polivalencia en el transporte de mostos o vinos limpios e incluso bastante cargados de turbios, y con capacidad auto aspirante. En contra se les acusa de funcionar a golpes o emboladas, pudiendo ser el movimiento amortiguado por la citada cámara de compensación de presión, o por modelos de más de un cilindro que regularizan su marcha.
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Las bombas de membrana funcionan de una manera similar a las de pistón, donde una membrana elástica metálica o de goma se deforma por un mecanismo de movimiento alternativo, que provoca una aspiración o compresión dentro de una cámara provista de dos válvulas de aspiración e impulsión, también construidas generalmente de bolas de goma o de acero inoxidable. Este tipo de bombas son auto aspirantes y no son muy adecuadas para transportar grandes volúmenes de líquidos, debiendo estos estar bastante limpios. Sin embargo, tienen una importante aplicación como bomba dosificadora de clarificantes, tierras fósiles, etc., donde haciendo variar a voluntad la amplitud del recorrido de la membrana se puede regular exactamente el caudal del líquido dosificado. Además, las bombas de membrana están indicadas para el manejo de líquidos de forma cuidadosa, donde la entrada de aire es prácticamente imposible, e incluso pudiéndose esterilizar con cierta facilidad.
Las bombas de pistones rotativos o lobulares, también llamadas de perfiles conjugados se componen de dos piezas giratorias de goma alimentaria tipo perbunan, con un perfil especial de dos a tres lóbulos o más, que engranadas giran en sentido contrario dentro de una cámara; produciéndose un movimiento del fluido sin la ayuda de válvulas. Son bombas auto aspirantes de Operaciones Unitarias Enológicas – Bombas de Circulación
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elevado caudal hasta 45.000 litros/hora y presiones máximas de 20 bar, provocan grandes turbulencias, de construcción muy robusta, y por lo tanto indicadas para el transporte de líquidos muy cargados de sólidos, como fangos, lías, e incluso vendimia estrujada.
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Las bombas de rodete o estrella flexible son máquinas de una gran sencillez, donde un rodete de neopreno en forma de estrella de al menos seis radios flexibles gira dentro de una cámara cilíndrica de bronce o mejor de acero inoxidable, con una tubuladura de entrada situada en un lado de esta y otra de salida colocada en la parte contraria. La cámara tiene un estrechamiento entre ambas tuberías, que obliga a la deformación de los radios del rodete cuando pasan por esta zona, lo que provoca una impulsión cuando se comprimen justamente sobre la tubería de impulsión, y una aspiración cuando recuperan su posición sobre la tubería de aspiración de la bomba. Los extremos de los radios del rodete rozan contra las paredes de la cámara cilíndrica, formándose una cámara de líquido entre dos radios, que es transportado desde la tubería de aspiración hasta la conducción de impulsión. Existe por lo tanto un rozamiento entre el rodete y las paredes interiores de la cámara de la bomba, pudiendo subir su temperatura cuando trabaja en vacío y degradarse cuando se alcanzan los 40° a 75° C. La sustitución del rodete es muy sencilla, basta simplemente con abrir una de las bases de la cámara cilíndrica. Estas bombas son auto aspirantes, permitiendo la circulación de líquidos bastante cargados de sólidos, con caudales desde 5.000 a 100.000 litros/hora, con potencias respectivas de 1,5 a 12,5 kW, pudiendo alcanzarse unas presiones de hasta 2,0 a 3,0 bar, y con un movimiento continuo sin impulsos, que las equipara e incluso aventajan a las bombas de pistones. Su utilización más extendida en la industria enológica se encuentra para las operaciones de remontado de mostos en vinificación de vendimias tintas; aunque pueden utilizarse para otras operaciones de transporte.
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Las bombas de engranajes, también llamadas de ruedas dentadas se utilizan muy poco en el movimiento de líquidos como el mosto o el vino, siendo de gran utilidad en líquidos muy viscosos, aunque siempre en ausencia de solidos que reducen sensiblemente su vida útil. Dos engranajes de material sintético giran en sentido contrario dentro de una cámara ajustada, produciéndose una compresión del fluido que resulta atrapado entre los dientes de los engranajes. Son bombas de giro relativamente lento, entre 250 a 1.500 r.p.m., pudiéndose alcanzar presiones de hasta 8 bar, y caudales moderados de hasta 15.000 litros/hora. Operaciones Unitarias Enológicas – Bombas de Circulación
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Las bombas de tornillo excéntrico, también llamadas de desplazamiento positivo, e incluso de tipo Mohno según la primera patente de estas máquinas. El rotor giratorio es un tornillo sinfín de un filete y un gran paso de rosca, construido en acero inoxidable, estando animado por dos movimientos, uno principal de giro sobre su propio eje longitudinal, y otro excéntrico que se desplaza sobre el citado eje, gracias a dos articulaciones situadas en el accionamiento. El estator es una pieza fija que contiene el rotor antes señalado, construido de un material blando y elástico, que en su interior lleva un hueco en forma de tornillo de doble filete, estando ambos desplazados 180° y con el doble paso de rosca que el rotor. El contacto entre estos elementos se hace mediante una línea ondulada llamada «línea hermética», que cierra la zona de aspiración de la impulsión de la bomba, por lo que estas máquinas no precisan de válvulas. El fluido entra por la parte trasera del conjunto estator – rotor, saliendo impulsado hacia la parte delantera del mismo.
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El número de revoluciones determina el caudal de líquido bombeado, pudiéndose estas determinar con la siguiente expresión:
Q: Caudal bombeado (m3/hora). Operaciones Unitarias Enológicas – Bombas de Circulación
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E: Excentricidad del rotor (metros). D: Diámetro del rotor (metros). S: Paso de rosca del estator (metros). N: Numero de revoluciones por minuto. Las bombas de tornillo son auto aspirantes, pudiendo elevar en aspiración hasta 8 metros de altura, con un caudal que puede llegar en bombas enológicas hasta los 25.000 litros a la hora, y a una presión máxima de 12 bar, siendo esta presión independiente del número de revoluciones. Aunque son perfectamente capaces de mover mostos o vinos limpios, su mayor utilización se centra en el transporte de líquidos cargados, como fangos o heces, e incluso también para vendimia estrujada con un diámetro más elevado. Estas bombas no deben funcionar en vacío, porque debido a la fricción entre el rotor y el estator, la temperatura puede elevarse hasta límites de degradación del material sintético del estator, perdiendo la bomba rendimiento y pudiendo incluso llegar a quedar bloqueada. La reparación es sin embargo muy sencilla, bastando con sacar hacia delante el estator, para sustituirlo por un nuevo repuesto, fijándolo luego al cuerpo de la bomba por medio de unos espárragos atornillados.
Bombas centrífugas Las bombas centrifugas o rotativas son maquinas que funcionan sin válvulas, donde uno o más rotores nervados giran a elevadas revoluciones acoplados directamente al motor de accionamiento dentro de una carcasa cerrada con dos orificios, uno de admisión situado a continuación del eje de giro, y otro de impulsión colocado tangencialmente y normalmente hacia arriba respecto del rotor. El material utilizado en la construcción de estas bombas es el acero inoxidable, sobre todo en las partes que están en contacto con los líquidos a transportar.
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Son maquinas muy sencillas y relativamente baratas, donde la presión y el caudal dependen del número de revoluciones de la bomba, con caudales muy elevados cuando las presiones son bajas, y viceversa, aumentando la presión cuando el caudal es alto. No son auto aspirantes, por lo que deben ser cebadas o bien trabajar por debajo del nivel del líquido a transportar; tampoco permiten su funcionamiento con líquidos cargados de turbios, pero su rendimiento caudal/potencia es excelente. En bombas centrifugas aplicadas a la industria enológica, es normal disponer de máquinas con una potencia máxima de 12 kW, con una presión máxima de 5 a 7 bar a 3.000 r.p.m. y un caudal de hasta 30.000 litros/hora. La relación entre estos parámetros viene definida por las características de las diferentes bombas y mediante las llamadas «curvas características».
Estas bombas no son muy utilizadas en las bodegas, motivado por su falta de auto aspiración, y además por introducir en el vino o mosto transportado una gran cantidad de aire, bien procedente de un mal acoplamiento en la tubería de aspiración o bien a través de la junta existente entre la carcasa y el eje de giro. En la actualidad ambos problemas están superados, existiendo bombas centrífugas auto aspirantes, también llamadas de «anillo liquido» o con otros Operaciones Unitarias Enológicas – Bombas de Circulación
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dispositivos que cumplan el mismo cometido y que evitan la entrada de aire mediante sistemas de cierre totalmente herméticos.
Las llamadas bombas centrífugas de dos o más niveles, también llamadas bombas reguladoras, son máquinas que agrupan dos o más rodetes, pudiendo conectarse entre ellos en serie o en paralelo; en el primer caso se suman los caudales de los rodetes y con la presión que ejerce uno de ellos, o en el segundo caso, se suman las presiones de los rodetes y con el caudal que produce uno de ellos.
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Recientemente han aparecido unas bombas centrífugas de rodete sinfín muy adecuadas para el movimiento de mosto en las operaciones de remontado de vendimias tintas, que armonizan la simplicidad y eficacia de las bombas centrifugas, con el tratamiento suave de la vendimia que requiere esta operación; alcanzando caudales de hasta 120 m3/hora, con una presión máxima de 9,5 bar, una viscosidad máxima del fluido a tratar de 1.000 cP y un diámetro máximo de sólidos en suspensión de 50 mm.
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Selección de una bomba para un sistema de transporte líquido Debe recordarse que el objetivo de la instalación de una bomba en un sistema de transporte de líquido es aumentar la energía de este de forma que pueda moverse desde un punto a otro. Por ejemplo, se usa una bomba para transportar líquido desde el tanque A hasta el tanque B. El sistema incluye una tubería de determinada longitud, codos y una válvula. El nivel del líquido en el tanque A es z1, medido desde el suelo, mientras que en el tanque B es z2.
Las pérdidas por fricción, h1-2 son proporcionales al cuadrado de la velocidad. Como la velocidad es proporcional al caudal volumétrico, las pérdidas por fricción son proporcionales al cuadrado del caudal volumétrico, o lo que es lo mismo.
En la figura se muestra la carga del sistema en función del caudal volumétrico. La curva creciente se debe a la función cuadrática de la ecuación. La carga del sistema, hsistema, depende de la variación de elevación (carga estática total) y de todas las pérdidas de carga mayores y menores.
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En la siguiente figura se muestran dos curvas de carga entre las que la carga estática puede variar.
De forma similar, si varían las pérdidas de carga por fricción, como por ejemplo si se cierra una válvula en la conducción, o si la tubería se ensucia pasado un tiempo, como consecuencia la curva de pérdidas de carga por fricción se modificará tal y como se muestra en la figura
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Obsérvese que en las dos últimas figuras también se muestra la curva de carga de la bomba suministrada por el fabricante. La intersección de las curvas de carga del sistema y de la bomba proporciona el punto de operación de la bomba que se adecúa a los requerimientos del sistema. Por lo tanto, para determinar las condiciones de operación para un sistema de transporte de líquido dado, la curva del sistema se superpone al diagrama característico de la bomba, como se muestra en la siguiente figura. La intersección de la curva del sistema y de la de funcionamiento de la bomba A, llamado punto de operación da los valores de operación del caudal y carga. Estos dos valores cumplen tanto la curva del sistema como la de la bomba. Habitualmente, el punto de operación debería estar cerca del máximo valor de eficacia de la bomba. Sin embargo, este punto depende de la curva del sistema. La curva se modificará si aumentan las pérdidas, por ejemplo, por un aumento del número de conexiones. De forma similar, debido al ensuciamiento de la superficie interna de las tuberías, pueden aumentar las pérdidas por fricción en las mismas. Si la curva del sistema se mueve más hacia la izquierda, el nuevo punto de operación B se encontrará a una menor eficacia, como puede observarse en la figura.
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Comportamiento característico de una bomba centrífuga
Leyes de afinidad El rendimiento de las bombas centrífugas a diferentes velocidades del rodete viene dado por una serie de fórmulas conocidas como leyes de afinidad. Estas fórmulas son:
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donde N es la velocidad del rodete. V es el caudal volumétrico, Φ es la potencia y h es carga. Estas ecuaciones pueden usarse para calcular el efecto de un cambio en la velocidad del rodete sobre el funcionamiento de una bomba centrífuga determinada. Por ejemplo, en la figura se muestra la curva de carga para tres velocidades distintas de rodete, que pueden obtenerse mediante un motor de velocidad variable que impulse la bomba.
Aparatos de medida de caudales Existen numerosos aparatos de medida de caudales con fundamentos muy diferentes. Se pueden clasificar en diferentes grupos según cuál sea la propiedad que miden o la alteración que producen en el flujo del fluido. A continuación, se describe el fundamento de los más importantes.
Medidores fluidodinámicos Se basan en modificar las líneas de flujo del fluido, generalmente alterando u obstruyendo parcialmente la sección de paso, lo que suele repercutir sobre alguna de las variables del sistema y en especial sobre la presión. A partir de la variación de presión producida se determina la velocidad media o el caudal de fluido en circulación. Entre los diferentes medidores fluidodinámicos existentes cabe destacar los siguientes: — Tubo de Pitot. Está constituido por dos tomas de presión que se introducen en la conducción. Una de las tomas se sitúa perpendicular al flujo del fluido, proporcionando una medida de lo que se denomina presión de impacto, mientras que la otra toma al ser paralela al flujo mide la presión estática. La diferencia entre ambas medidas recibe el nombre de presión cinética y se
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puede determinar mediante un tubo manométrico diferencial o con sensores de presión conectados a ambas secciones. El tubo de Pitot presenta la ventaja de alterar sólo ligeramente las características del flujo y apenas producir pérdidas de energía por rozamiento.
Diafragmas, boquillas y venturímetros. Estos tres tipos de medidores tienen el mismo fundamento. Se basan en provocar un estrechamiento de la sección de paso del fluido, lo que implica un aumento de su velocidad y, por tanto, de su energía cinética. De acuerdo con La ecuación de conservación de energía mecánica, el incremento de energía cinética se produce a costa de la energía asociada a la presión. Como consecuencia, el paso del fluido a través del estrechamiento conlleva una disminución transitoria de la presión, cuya magnitud depende del caudal. La principal diferencia entre estos medidores reside en la forma en la que se produce el estrechamiento. Los diafragmas consisten en discos con un orificio, situado generalmente en el centro, que al insertarse en la conducción provocan un estrechamiento brusco de la sección y de las líneas de flujo. Con ello, no sólo se produce una variación de la presión asociada al incremento de velocidad, sino que también existe una pérdida de presión permanente debido al rozamiento tan intenso que experimenta el fluido al atravesar el orificio. Con objeto de aminorar este fenómeno, las boquillas presen tan bordes redondeados en la zona de entrada del fluido, aunque el ensanchamiento posterior de la sección sigue siendo brusco. Finalmente, los venturímetros se caracterizan por provocar una disminución y un aumento posterior de la sección de paso de forma paulatina, con lo que se consigue que las líneas de flujo se adapten sin. Grandes distorsiones a la geometría del aparato y, por consiguiente, que apenas se produzcan pérdidas de energía o presión por rozamiento. Los venturímetros son aparatos bastante más caros que los diafragmas o las boquillas. Sin embargo, resultan muy adecuados para medir caudales cuando el fluido presenta sólidos en suspensión, como es el caso de numerosos alimentos, ya que su diseco hace prácticamente imposible que se puedan acumular partículas sólidas, lo que en cambio sí puede suceder en diafragmas y boquillas.
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Rotámetros. Este tipo de medidores de caudal consta de u n flotador situado en el interior de un tubo vertical ligeramente troncocónico a través del cual asciende el fluido. A medida que el caudal de fluido aumenta, el flotador va ascendiendo incrementando la sección de paso del fluido. A l igual que los medidores anteriores, los rotámetros varían la sección de paso. Sin embargo, esta variación no es constante, sino que depende del caudal, mientras que lo que sí permanece invariable es la pérdida de presión que experimenta el fluido, directamente relacionada con el peso del flotador.
Medidores mecánicos Los medidores mecánicos se basan en dividir el caudal total de fluido en segmentos o espacios de volumen conocido registrando el número de estos que pasa a través del medidor en la unidad de tiempo. Generalmente los espacios que definen el volumen de fluido confinado están unidos a un rotor que gira a una determinada velocidad por el paso del fluido. Son medidores adecuados para líquidos de viscosidad intermedia o incluso alta pero no son recomendables para medir el caudal de fluidos con sólidos en suspensión. También pueden considerarse medidores mecánicos los denominados de turbina. En este caso el fluido se hace pasar a través de una turbina montada en la instalación haciendo que los alabes y el rotor de esta giren a una determinada velocidad. Dicha velocidad de giro es proporcional a la velocidad y, por tanto, al caudal Operaciones Unitarias Enológicas – Bombas de Circulación
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de fluido. Los medidores de turbina se caracterizan por su elevada precisión, aunque su uso está limitado a gases y líquidos limpios, sin impurezas de partículas sólidas.
Medidores electromagnéticos Son aplicables para la medida de caudales de líquidos conductores de la electricidad. El fluido debe poseer una conductividad eléctrica mínima de 5 μΩ/cm, requisito que cumplen la mayor parte de disoluciones acuosas y numerosos productos químicos, pero no productos derivados del petróleo. Los medidores electromagnéticos se basan en aplicar un campo magnético sobre el fluido en circulación, lo que genera un voltaje que es detectado por dos electrodos. De acuerdo con las leyes de Faraday del electromagnetismo, la magnitud del voltaje inducido es proporcional a la velocidad del conductor en movimiento, relación que permite estimar el caudal de fluido. Aunque se trata de medidores de coste elevado, presentan la ventaja de no provocar pérdidas de energía por rozamiento, mientras que la ausencia de partes internas en contacto directo con el fluido los hace especialmente indicados para la medida de caudales en suspensiones de sólidos en un medio líquido o en fluidos de elevada viscosidad.
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