Evaluación conceptual basada en criterio de NPSH
para instalación de kit de bombeo en camión bombero alternativo
Conceptual
evaluation determined by NPSH criterion for pump kit installing for alternative
firefighting truck
Autores:
Dr. C. Ing. Ramón Pérez
Gálvez1 ORCID: 0000-0003-0879-3263;
Ing. Yoslendry Izquierdo Rivera2 ORCID:
0000-0002-5010-7020;
Ten. Cor. Lic. Lázaro
Cedeño Núñez3
Sucursal SEISA Cienfuegos1,2, Cuerpo de
Bomberos de Cienfuegos3
Resumen
La
técnica móvil es parte importante del proceso de extinción de incendios pues
permite trasladar los recursos, los materiales y los medios necesarios para el
control del fuego. Usualmente los medios móviles son equipos especializados
preparados desde la fábrica para cumplir tareas especializadas. Su adquisición
es usualmente cara. En este trabajo se evaluó la adecuación de un conjunto de bomba
y motor diésel extraído de una estación fija para instalarlo en un camión y
convertirlo en técnica móvil de lucha contra incendios. Debido a que los
parámetros de carga y caudal de bombeo eran suficientes, se llevó a cabo su análisis
bajo el criterio de NPSH, que es un requisito para que no ocurra cavitación en
la bomba y como consecuencia su destrucción. Como resultado se obtuvo que la
técnica de análisis es correcta. Aunque en el caso de estudio arrojó que, bajo
determinadas condiciones, no es recomendable el uso del grupo de bombeo
analizado para su empleo como técnica móvil contra incendios.
Palabras
clave
Bombas, camiones, cavitación, contraincendios,
evaluación
Abstract
The mobile technique is an important part of the
firefighting process as it allows the transfer of resources, materials and
means necessary for the fire control. Usually the vehicles are specialized
equipment prepared from the factory to fulfill specialized tasks. Its
acquisition is usually expensive. In this work the installation of a pumping
group belonging of pumping station, was evaluated on a truck to convert it into
a mobile fire-fighting equipment. Due to the head and flow pump requirements
were sufficient, their analysis was carried out under the NPSH criterion, which
is a requirement so that cavitation does not occur in the pump and its
destruction. As result, it was obtained that the analysis technique is correct.
However, in the case study it was found that the use of the analyzed pumping
group is not recommended for its use under certain conditions as a mobile
fire-fighting technique.
Key
words
Cavitation, evaluation, firefighting, pumps, trucks
Introducción
Desde hace casi un año, han aumentado,
respecto a épocas pasadas, los eventos asociados con grandes incendios en Cuba.
Se han manifestado en varios sectores; los más importantes son los ocurridos en
la infraestructura industrial y los forestales.
Los incendios forestales en Cuba han afectado
las líneas de trasmisión del Sistema Electro-energético Nacional en la región
central de Cuba y las montañas de Mayarí en el oriente cubano. No obstante, ningún
factor por sí solo produce incendios forestales; más bien, ocurren cuando se traspasan
los umbrales de incendios.
Entre los principales iniciadores se
encuentran: el comportamiento humano, la concentración crítica de biomasa
combustible y el efecto prolongado de la sequía. Los eventos meteorológicos
anómalos pueden reducir estos umbrales y, por lo tanto, aumentar la
probabilidad y la propagación de incendios forestales. El cambio climático
aumenta la frecuencia con la que se traspasan algunos de estos umbrales,
prolongando la duración de la temporada de incendios y aumentando la frecuencia
de los años secos. (Pausas y Keeley, 2021)
También en este periodo se manifestó un
incendio de grandes dimensiones en la base de almacenaje de combustible de super-tanqueros
en Matanzas, el origen del evento es atribuible a una descarga eléctrica que
impactó directamente en un tanque de crudo y sus efectos fueron catastróficos. El
mayor problema es, no el incendio en el tanque donde impactó el rayo, sino el
efecto dominó en el patio de tanques debido a la radiación térmica, la
dirección de los vientos y la exposición a largo plazo que debilitó la
estructura de los tanques y provocó fallas como ha demostrado Malik y otros (2023), para otros casos.
Para cualquiera de estos tipos
de incendio, el empleo de la técnica móvil contra incendios reviste alta
importancia, incluso disponiendo de un sistema fijo de extinción de incendios se
necesita apoyo de camiones de bomberos, barcos e incluso medios aéreos.
La
técnica móvil contra incendios basada en transporte automotor regularmente está
dotada con equipos de bombeo. Esta tecnología aparece en los anales de la Revolución
Industrial, luego de que se difundiera la bomba como medio útil de extinción como
expone Zwierlein (2021). La actividad de
extinción de incendios tiene una alta cobertura normativa, con un sustento
técnico importante. Por tal razón, no es usual preocuparse por los parámetros de
bombeo, pues al estar sustentados por la norma, permiten cubrir las
posibilidades previstas para el cumplimiento de la tarea. La técnica móvil
ordinaria puede aprovechar los volúmenes de líquido de los cuerpos de agua
presentes en el entorno, sean naturales o artificiales, pues técnicamente sus
parámetros de bombeo están diseñados con ese fin (Ustinov
y otros, 2021),
entre ellos su NPSH (Net Positive Suction Head) que evalúa su predisposición a la
cavitación.
Pero,
¿qué hacer cuando se desencadenan eventos gigantescos? Cuando ocurre un
incendio de enormes proporciones hace falta más caudal de bombeo para aumentar
el volumen de enfriamiento, incluso un caudal superior al que posee la técnica
convencional. Y, ¿todas las bombas de gran caudal que podrían ser adaptadas a
la técnica automotor servirían para trasegar líquido desde un reservorio
abierto a la presión atmosférica? O, ¿sería posible construir un equipo móvil
de extinción con determinado conjunto de bombeo que cumpla estos
requerimientos? Es por eso, que en el siguiente trabajo se evalúa
conceptualmente la instalación de un grupo de bombeo en la técnica móvil contra
incendios con enfoque al NPSH.
Para varios
investigadores de máquinas de flujo, entre ellos Patil
(2021), los álabes del impulsor son generalmente las piezas que más se erosionan
durante el funcionamiento. Desarrollan poros y asperezas, degradando la
superficie del metal. Esta erosión disminuye la eficiencia energética y aumenta
los costos de mantenimiento. Además, afecta la estabilidad mecánica de la bomba
(Yun y otros, 2020).
Existen
varios criterios o indicadores para determinar las causas de la cavitación (Gopalakrishnan, 1985), no obstante, la comparación del NPSH
disponible del sistema con el NPSH requerido por la bomba es suficiente para
anticiparse a la cavitación de la bomba en su circuito hidráulico de trabajo.
Desarrollo
A continuación, se presenta la
evaluación conceptual de la instalación de un conjunto de bombeo en la técnica
móvil contra incendios con enfoque al NPSH.
Esquema de análisis
Se concibe la instalación de
un grupo de bombeo (bomba + motor diésel) sobre un medio de transporte,
vehículo pesado, que succionará de un reservorio abierto.
Figura
1. Esquema de análisis de grupo de bombeo sobre técnica móvil (dibujo sin Escala)
(Elaboración propia).
Consideraciones para el
análisis
1. El
caudal y la carga de la bomba son las necesarias para el servicio.
2. Se
tomará agua de un reservorio y es abierto a la atmósfera.
3. La
temperatura del agua es T<30⁰C.
4. La
metalurgia de la bomba es apropiada para trasegar el agua.
5. El
escenario de evaluación ocurre a una elevación menor que 1000 metros sobre el
nivel del mar.
6. No es
objetivo del trabajo el diseño del sistema de cebado.
7. Se considera
que el grupo de bombeo está en buen estado técnico.
8. El
alcance del trabajo no abarca los detalles del montaje del grupo de bombeo a la
técnica móvil.
Variables y constantes de ingeniería
empleados en el análisis
Tabla 1. Acrónimos,
términos y unidades de medida
|
Acrónimo |
Significado |
Unidades |
|
|
Altura
neta positiva de aspiración disponible |
m |
|
|
Altura
neta positiva de aspiración requerida |
m |
|
|
Altura
neta positiva de aspiración que provoca un 3% de caída de carga |
m |
|
|
Presión
sobre el líquido |
N/m2 |
|
|
Presión
de vapor del líquido a temperatura de trabajo |
N/m2 |
|
Q |
Caudal
en la succión |
m3/s |
|
A |
Área
de los accesorios de la succión |
m2 |
|
L |
Longitud
de la tubería |
m |
|
D |
Diámetro
de la tubería |
m |
|
ν |
Velocidad
del líquido |
m/s |
|
|
Densidad
del líquido |
kg/m3 |
|
|
Aceleración
de la gravedad |
kg/m∙s2 |
|
ξ |
Coeficiente
de singularidad friccional de accesorio |
- |
|
f |
Coeficiente
friccional de tubería |
- |
|
|
Altura
de aspiración |
m |
|
|
Pérdidas
en la aspiración |
m |
|
|
Pérdidas
atribuidas al accesorio “n” |
m |
|
|
Pérdidas
atribuidas a tramos rectos de tubería |
m |
|
|
Altura
del terreno respecto al reservorio de agua |
m |
|
|
Altura
del terreno a la bancada del grupo de bombeo |
m |
|
|
Altura
de la bancada al eje de rotación de la bomba |
m |
Metodología de análisis
Para
evitar la cavitación en la bomba se debe cumplir:
Donde:
Sustituyendo
los valores y propiedades de la sustancia de trabajo y entorno:
Luego:
Sustituyendo (2) en (1) e
igualando con (5):
Luego
de la curva de trabajo de la bomba se busca el NPSH3:
Figura 2. NPSH3,
para Q=1480m3/h (0,41 m3/s=411L/s) (Elaboración propia).
Entonces
(6):
Para
las pérdidas en la succión, h se considera como esquema básico: una “T” donde
su flujo básico ocasiona un ángulo de 90
Figura 3. Esquema
básico de circuito de succión (Elaboración propia).
Luego:
Como:
Y
los coeficientes de singularidad friccional ξ para la “T”, la válvula de
retención y la rejilla son, 1,5; 2,5 y 0,8, respectivamente.
Se sustituye en (11) y (10), luego
(9):
Por otra parte,
Pero, L= Z, y
Para tres tipos de vehículos evaluados: ZIL 130, ZIL 131 y HoWo; z2 ≈1,5 m (pues z2 ZIL 130=1,45
m, z2 ZIL 131=1,43 m y z2 HoWo=1,47
m) y z3 ≈ 1 m, ya que debe considerarse la bancada de la bomba a la
plancha del camión:
Figura
4. Dimensiones de la bomba analizada (KSB, 2016).
Entonces:
Pues
en (12), el coeficiente friccional de tubería utilizado en el cálculo es f = 0,09 (tubería de acero),
Despejando
y efectuando en (14):
Análisis de resultados