Hidráulica básica

Hidráulica básica

Introducción a la hidráulica en sistemas de bombeo de agua y la relación entre flujo, carga y energía.

Fundamentos de hidráulica básica            

Tres parámetros principales                   

  • Parámetro: Caudal - Altura - Potencia 
  • Símbolo: Q - H - P         
  • Unidad: m3/h - m - kW

Caudal                                                                    

El caudal (Q) es la cantidad de agua que una bomba impulsa por las tuberías en un cierto período de tiempo. El caudal (Q) se mide en metros cúbicos por hora (m3/h).

Altura                                                                           

  • La altura de una bomba es la presión que esta es capaz de proporcionar.                                                           
  • Describe la altura hasta la cual la bomba es capaz de elevar el agua.                                                       
  • Por ejemplo, una altura de 40 m significa que la bomba es capaz de elevar el agua 40 metros.                                                          

Altura de elevación                                                       Altura de aspiración

Potencia                                                                     

  • La potencia (P) de un sistema de bombeo expresa la fuerza y la velocidad que permiten transportar el agua.                                           
  • La potencia (P) depende directamente de caudal (Q) y la altura (H).                                                     
  • La potencia se mide en kW.

Relación entre los parámetros

La relación entre el caudal (Q), la altura (H) y la potencia (P) se describe así:                                 

P = Q × H × c 
(c es una constante que depende de la eficiencia de la bomba, la gravedad y el tipo de líquido)

Pérdida por fricción                                                           

La fricción entre el líquido y las superficies en contacto con él produce pérdida de energía y presión. La pérdida por fricción se produce en todo el sistema: en la propia tubería, en los codos, en las válvulas, etc. La pérdida por fricción depende de varios factores:                                                       

  • El caudal del sistema                                           
  • La viscosidad del líquido                                       
  • La longitud de las tuberías                                           
  • La superficie de las tuberías

Pérdida por fricción: velocidad del líquido                                   
    Velocidad del líquido: velocidad a la cual se bombea el agua. 

V = Q / A × c                                                                 
Q es el caudal (m3/h).                                                   
A es la sección de la tubería (m2). c es una constante para convertir la velocidad a metros por segundo.

Pérdida por fricción: diseño del sistema           

Minimizar la velocidad del líquido (y la pérdida por fricción):

  • Reduciendo el caudal (Q).
  • Aumentando el tamaño de la tubería (A).

El aumento del diámetro de la tubería:
    Incrementará los costes iniciales.
    Reducirá el coste total asociado al ciclo de vida.             

  • Coste de mantenimiento 10 %                                               
  • Coste inicial 5 %                                                       
  • Coste energético 85 %

Presión de vapor                                               

Presión de vapor: presión y temperatura a las cuales el agua se transforma en vapor.

A la presión atmosférica normal, el agua hierve a 100 °C. Pero, en un sistema de bombeo, la presión puede caer y hacer disminuir el punto de ebullición.

Si la presión cae por debajo de un determinado nivel, el agua empezará a hervir. Las moléculas de agua evaporadas causan daños por cavitación en la bomba.

  • Presión de vapor                                                   
  • Cambio de fase                                                       
  • Gas Líquido

Presión                          Punto de ebullición
10 m                             100°C
4,7 m                            80°C
3,1 m                            70°C
2,0 m                            60°C
1,2 m                            50°C
0,7 m                            40°C
0,4 m                            30°C                                              

Presión de vapor: cavitación                           

La cavitación consiste en la formación y el colapso repentinos de burbujas de aire en el agua. Se produce cerca de la entrada del impulsor, donde la presión puede caer por debajo del punto de ebullición del agua. La cavitación puede provocar picaduras en el impulsor y en la carcasa de la bomba.
Estrategias de prevención de la cavitación:                                     

  • Bajar la entrada de la bomba y aumentar la presión de entrada.
  • Reducir la pérdida por fricción en la tubería de aspiración.         
  • Reducir el caudal de la bomba.                            
  • Aumentar la elevación del nivel de aspiración del agua.

P2 Presión (Pa) P1 Presión de vapor            Entrada del impulsor Salida del impulsor                                     b Δp