El correcto funcionamiento de los sistemas de bombeo en instalaciones de protección contra incendios es crucial para garantizar una respuesta rápida y efectiva en situaciones de emergencia. En este contexto, EBARA, presenta un análisis técnico detallado sobre la importancia de la aspiración en estos sistemas. El artículo expone cómo las bombas, aunque diseñadas para manejar un amplio rango de caudales, deben operar dentro de ciertos límites de diseño para evitar efectos perjudiciales como la cavitación. A lo largo del texto, se aborda la relación entre diversos factores como la presión de aspiración, la velocidad del líquido y las pérdidas de carga, proporcionando una explicación clara sobre cómo optimizar el rendimiento y prevenir daños en las bombas. Además, se destaca la relevancia de cumplir con normativas específicas, como la UNE 23500, para asegurar una instalación eficiente y segura.
Aunque una bomba tiene una curva de características que abarca un amplio rango de caudales, el impulsor de una bomba está diseñado para un rango de caudal determinado. Cuando la bomba trabaja dando un caudal diferente fuera de ese rango de diseño, el líquido entra en el impulsor más deprisa o más despacio de lo normal, con lo que se encuentra con algunas pequeñas dificultades para entrar. Estas dificultades se pueden medir en términos de pérdida de presión, por lo que se puede hablar de una presión mínima necesaria en la zona inmediatamente anterior a los álabes del impulsor, que dependerá de la bomba y del caudal que esté pasando.
Si en algún punto de toda la aspiración (incluyendo la entrada al impulsor) la presión estática del líquido baja tanto como para alcanzarse la presión de vapor, el líquido hervirá. Aparecerán burbujas de vapor, que colapsarán donde la presión estática nuevamente supere la presión de vapor. Este efecto se conoce como cavitación.
La cavitación produce en la bomba daños mecánicos, picaduras, vibraciones y ruidos. Una cavitación severa viene generalmente acompañada por un ruido excesivo y daños visibles a la bomba; una cavitación moderada produce una pequeña reducción del caudal, altura, rendimiento y un desgaste prematuro. En todo caso es un efecto indeseado que hay que evitar.
La función de la bomba es añadir presión al líquido, y empujarlo por la tubería de impulsión, pero para que sea posible, el líquido ha de llegar al interior de la bomba por sí mismo, ya que la bomba no puede tirar de él. La bomba puede empujar el líquido que ya está dentro del impulsor y dejar espacio libre para que entre más líquido, pero éste ha de entrar por sí sólo en el impulsor desde la aspiración, siendo empujado por el otro extremo de la tubería de aspiración. Afortunadamente en el otro extremo de la tubería de aspiración en instalaciones de bombeo contra incendios está la presión atmosférica.
Para que no haya problemas de cavitación no sólo basta con que llegue el líquido, sino que ha de llegar con presión suficiente para que no se alcance la presión de vapor. La expresión fundamental que representa el correcto funcionamiento de aspiración de una bomba es la siguiente:
Siendo:
Pa: Presión absoluta sobre el nivel de aspiración del líquido en kg/cm2
Y: Peso específico del líquido en kg/dm3.
Ha: Altura geométrica de aspiración en metros (lleva signo positivo cuando el nivel del líquido en la aspiración está por debajo del eje de la bomba y negativo cuando está por encima).
Pca: Pérdidas de carga en la aspiración, en metros.
Va2 / 2 g: Altura dinámica correspondiente a la velocidad de entrada del líquido en la bomba, estando expresado V en m/seg.
Hz: Presión absoluta mínima necesaria en la zona inmediatamente anterior a los álabes del impulsor (depende del caudal y del tipo de bomba).
Tv: Tensión del vapor correspondiente al líquido en metros.
Que sencillamente quiere decir: La presión a la entrada del rodete ha de ser mayor que la mínima necesaria. A la presión atmosférica le restamos la altura que ha de subir el líquido hasta la bomba, las pérdidas de carga de la tubería, la disminución de presión estática por efecto del aumento de velocidad y la presión que se pierde en la misma entrada del rodete; y la que resulte ha de ser mayor que la presión de vapor.
La velocidad de entrada a la bomba viene fijada por el diámetro de la boca de aspiración de la bomba, por lo que esta disminución de presión es asignable a la bomba junto con la que ocurre a la entrada del rodete, siendo el resto de presiones determinadas por la propia instalación. Ordenando la ecuación de modo que a un lado queden los términos correspondientes a la instalación y al otro los que se pueden asignar a la bomba, tenemos:
Quedando a la izquierda la altura neta disponible en la instalación justo a la entrada de la bomba, y a la derecha la altura neta requerida por la bomba. En inglés Net Positive Suction Head (NPSH). Escrito de esta manera queda:
NPSHd >= NPSHr
El NPSHr (requerido) de una bomba es un dato específico de cada bomba y figura en las curvas características que ha de facilitar el fabricante. Su valor depende entre otras cosas de la velocidad de rotación y del caudal. El NPSHd depende de la instalación, para evitar la aparición del fenómeno de la cavitación ha de cumplirse la relación anterior.
Para asegurar el buen funcionamiento de la instalación de abastecimiento la norma UNE 23500, sobre sistemas de abastecimiento de agua contra incendios, va más allá de lo anterior y establece por un lado que el NPSHd a la entrada de la bomba debe de ser superior a 5m cuando circula el caudal nominal de la bomba (Qnb) y por otro, que el NPSH disponible debe ser superior al NPSH requerido por la bomba más 1m como margen de seguridad cuando la bomba vehicula el 140% del caudal nominal (Qn x 1.4).
Asimismo, la norma UNE 23500 indica que se han de emplear bombas centrífugas horizontales en carga, siempre que sea posible, instaladas con presión estática de aspiración positiva. La tubería de aspiración hasta la llegada a la bomba debe instalarse de forma que evite la posibilidad de formación de bolsas de aire y como último recurso, las bombas se pueden instalar en condiciones de aspiración negativa, siempre que se cumplan una serie de requisitos, como que la tubería de aspiración ha de ser igual o mayor a 80 mm y suficiente para que no se supere una velocidad de 1,5 m/s en el punto Qnb, que cada bomba ha de disponer de su tubería de aspiración independiente, que la distancia en vertical desde el eje de la bomba al nivel más bajo de agua no supere los 3.2m y que cada bomba ha de disponer de un sistema de cebado automático según detalles descritos en la propia norma UNE 23500.
Sin embargo, lo habitual y recomendable son las instalaciones de bombeo en carga, hay normas como por ejemplo la NFPA20 que directamente no permiten bombas en aspiración negativa.
Para bombas en carga, la norma UNE 23500 marca que la tubería de aspiración ha de ser igual o mayor a 65 mm, y suficiente para que no se supere una velocidad de 1,8 m/s en el punto Qnb. También que se puede emplear un colector común de aspiración para varias bombas y que el circuito de aspiración ha de constar de lo siguiente en este orden:
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- Válvula de compuerta, con supervisión eléctrica de su estado (abierto/cerrado) con accionamiento por 2 o más vueltas de volante y con indicador visual de su posición.
- Dispositivo antiestrés como por ejemplo 2 uniones flexibles ranuradas distanciadas 2 diámetros entre sí
- Reducción excéntrica de una longitud superior al doble del diámetro de la tubería de aspiración y un ángulo de apertura no mayor a 20º
