BOMBAS HIDRÁULICAS: TIPOS Y CARACTERÍSTICAS GENERALES

1. Máquinas de Fluidos: Bombas (Concepto General)

Una bomba hidráulica es una máquina generadora que transforma la energía mecánica (generalmente proveniente de un motor eléctrico o de combustión) en energía hidráulica o de flujo. Al hacer esto, el fluido aumenta su presión, su velocidad o su altura topográfica (o una combinación de las tres).

Fórmula Fundamental (Potencia Hidráulica):

La potencia útil o potencia hidráulica ($\dot{W}_h$) que la bomba transfiere efectivamente al fluido se calcula mediante la ecuación:

$$ \dot{W}_h = \gamma \cdot Q \cdot H = \rho \cdot g \cdot Q \cdot H $$

Donde:

• $\dot{W}_h$ = Potencia hidráulica (Watts o $J/s$)
• $\gamma$ = Peso específico del fluido ($N/m^3$)
• $\rho$ = Densidad del fluido ($kg/m^3$)
• $g$ = Aceleración de la gravedad ($9.81 m/s^2$)
• $Q$ = Caudal volumétrico ($m^3/s$)
• $H$ = Carga dinámica total o altura manométrica ($m$)

La potencia mecánica en el eje que el motor debe suministrar a la bomba ($\dot{W}_{eje}$) es siempre mayor debido a las ineficiencias (fricción, turbulencia, fugas):

$$ \dot{W}_{eje} = \frac{\dot{W}_h}{\eta_b} $$

(Donde $\eta_b$ es la eficiencia global de la bomba).

2. Bombas Rotodinámicas (Turbomáquinas)

Las bombas rotodinámicas operan mediante la transferencia continua de cantidad de movimiento (momentum) desde un rotor giratorio, llamado rodete o impulsor, hacia el fluido.

Demostración (Ecuación de Euler para Turbomáquinas):

El principio de todas las bombas rotodinámicas se basa en la Segunda Ley de Newton aplicada al momento angular. La energía teórica intercambiada ($H_u$, carga de Euler) depende de las velocidades tangenciales del impulsor ($U$) y las velocidades absolutas del fluido ($V_u$) a la entrada (1) y a la salida (2) de los álabes:

$$ H_u = \frac{U_2 V_{u2} - U_1 V_{u1}}{g} $$

Estas bombas se clasifican según la trayectoria que sigue el fluido a su paso por el impulsor. Esta geometría se optimiza basándose en la Velocidad Específica ($N_s$), un parámetro adimensional que define la forma del rodete:

$$ N_s = \frac{N \sqrt{Q}}{H^{3/4}} $$

A. Bombas Centrífugas o Radiales

• Concepto: El fluido entra por el centro del rodete (axialmente) y los álabes lo aceleran expulsándolo perpendicularmente al eje de rotación (visualmente, hacia los lados o de forma radial) usando la fuerza centrífuga. La voluta (carcasa en forma de caracol) recoge este fluido rápido y transforma su energía cinética en presión.
• Características: Diseñadas para generar altas presiones (cargas $H$ grandes) con caudales bajos a medios. Bajo $N_s$.

B. Bombas Axiales

• Concepto: El fluido entra y sale del rodete paralelo al eje de rotación. El impulsor tiene forma de hélice (como la de un barco). No utilizan la fuerza centrífuga, sino el empuje hidrodinámico de las aspas sobre el fluido.
• Características: Diseñadas para mover caudales inmensos ($Q$ muy grandes) a alturas muy bajas (ej. control de inundaciones, circulación de canales). Alto $N_s$.

C. Bombas de Flujo Mixto o Helicocentrífugas

• Concepto: Son el punto intermedio. El fluido entra axialmente pero es descargado en un ángulo cónico, diagonal al eje. Combinan el empuje de las aspas (axial) con la fuerza centrífuga (radial).
• Características: Ideales para caudales y presiones medias (ej. riego agrícola a gran escala). $N_s$ intermedio.

3. Bombas Volumétricas (De Desplazamiento Positivo)

A diferencia de las rotodinámicas, estas bombas no dependen de la velocidad para crear presión.

Concepto:

Operan capturando físicamente una cantidad fija (un volumen) de fluido en una cámara, sellándola y forzándola mecánicamente a salir por la tubería de descarga.

• Comportamiento Físico: En teoría, desplazan el mismo volumen de fluido por cada ciclo, independientemente de la presión de la red. Si se cierra la válvula de salida, una bomba volumétrica seguirá empujando hasta reventar la tubería o quemar el motor (por ello siempre requieren válvulas de alivio).
• Fórmula: El caudal teórico solo depende del volumen desplazado por ciclo ($V_D$) y la velocidad de operación ($N$ en RPM):
• $$ Q_{teorico} = V_D \cdot \frac{N}{60} $$
• Tipos principales:

1. Alternativas (Reciprocantes): Pistones, diafragmas. (Comunes en inyección de químicos o altas presiones extremas).
2. Rotativas: Engranajes, lóbulos, tornillos. (Excelentes para fluidos muy viscosos como aceites, melazas o pastas).

4. Bomba de Ariete (Hydraulic Ram Pump)

La bomba de ariete es una máquina fascinante porque no requiere electricidad ni combustible para funcionar. Utiliza la energía cinética de un caudal grande de agua que cae desde una altura baja para elevar una pequeña fracción de esa agua a una altura mucho mayor.

Principio de Funcionamiento:

Se basa en aprovechar la energía destructiva del Golpe de Ariete.

1. El agua fluye por un tubo de impulso (caída ligera) hacia la bomba y sale al exterior a través de una "válvula de choque" (o válvula de residuo) abierta.
2. A medida que el agua acelera, la fuerza de fricción arrastra la válvula de choque y la cierra violentamente.
3. Este cierre súbito detiene el agua, creando una onda de sobrepresión masiva (el golpe de ariete).
4. Esta sobrepresión es tan alta que empuja un pequeño volumen de agua abriendo una válvula check (anti-retorno) hacia una cámara de aire (que amortigua el golpe) y sube por la tubería de entrega.
5. Cuando la presión se disipa, la válvula check se cierra, la válvula de choque vuelve a caer por gravedad o resorte, y el ciclo se repite.

Demostración de Eficiencia y Rendimiento:

Sea:

• $Q$ = Caudal de entrada (agua que llega de la fuente).
• $h$ = Altura de caída (desde la fuente hasta la bomba).
• $q$ = Caudal entregado (agua bombeada útil).
• $H$ = Altura de entrega (desde la bomba hasta el tanque elevado).

La energía disponible que entra al sistema por unidad de tiempo es proporcional a $Q \cdot h$. La energía útil entregada es proporcional a $q \cdot H$.

La eficiencia ($E$) de la bomba de ariete (según la fórmula de D'Aubuisson) se calcula como:

$$ E = \frac{q \cdot H}{Q \cdot h} $$

Despejando, podemos predecir el caudal que lograremos subir ($q$):

$$ q = E \cdot Q \cdot \left( \frac{h}{H} \right) $$

(Nota: La eficiencia típica de una bomba de ariete bien ajustada oscila entre el 50% y el 70%. Al observar la ecuación, se demuestra que si queremos subir agua muy alto (H grande) teniendo poca caída (h pequeña), la fracción $h/H$ será muy pequeña, por lo que el caudal bombeado $q$ será solo una pequeña fracción del caudal de entrada $Q$).