05 Bombas Centrifugas y Curvas de Bombas

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Bombas Centrifugas y Curvas de Bombas

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Índice

Índice 1. 2.

3.

4. 5.

DEFINICIÓN DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS ............................................................. 1 PARTES DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA ....................................................................... 2 2.1. IMPULSORES ................................................................................................... 2 2.1.1. IMPULSORES DISEÑADOS DE ACUERDO A LA DIRECCIÓN DE FLUJO ....... 3 2.1.2. IMPULSORES DISEÑADOS DE ACUERDO A SU ADMISIÓN ........................ 4 2.1.3. POR SU CONSTRUCCIÓN MECÁNICA....................................................... 4 2.2. CARCAZAS Y DIFUSORES.................................................................................. 5 2.2.1. BOMBAS CON CARCAZA DE VOLUTA....................................................... 5 2.2.2. BOMBAS DE TURBINA............................................................................ 6 2.3. ANILLOS DE DESGASTE .................................................................................... 6 2.3.1. ANILLOS BOQUILLA ............................................................................... 6 2.3.2. ANILLOS DE INTERFERENCIA................................................................. 7 2.3.3. ANILLOS BARRIDOS CON AGUA ............................................................. 7 2.4. EJES Y CAMISAS PARA LOS EJES....................................................................... 7 2.5. COJINETES ...................................................................................................... 8 2.6. RODAMIENTOS ................................................................................................ 8 CURVAS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS .......................................................................... 9 3.1. ENSAYO ELEMENTAL ........................................................................................ 9 3.2. CURVA CARGA-CAUDAL ( H-Q )......................................................................... 9 3.3. CURVA DE POTENCIA DE ACCIONAMIENTO (PA-Q) ...........................................10 3.4. CURVA DE RENDIMIENTO-CAUDAL ( NT-Q )......................................................11 3.5. CURVA DE LA N.S.P.H-CAUDAL (N.S.P.H -Q ) ....................................................12 3.6. CURVA DE ENSAYO COMPLETO........................................................................13 3.7. CURVAS DE SISTEMA DE BOMBEO ...................................................................14 3.7.1. CURVA DE FRICCIÓN DEL SISTEMA.......................................................14 3.7.2. CURVA TÍPICA DE UN SISTEMA DE BOMBEO .........................................14 3.7.3. CURVA DE MAYOR CARGA ESTÁTICA Y ESCASA PÉRDIDA DE CARGA ......15 3.7.4. CURVA DE CARGA POR GRAVEDAD........................................................15 3.7.5. CURVA DE SISTEMA DE BOMBEO PARA DIFERENTES TAMAÑOS DE TUBERÍAS .......................................................................................16 3.8. PUNTO DE OPERACIÓN ( PUNTO DE TRABAJO) PARA UNA BOMBA ....................17 3.8.1. UNTO DE OPERACIÓN EN UNA CURVA HQ DEL SISTEMA TÍPICO ............17 3.8.2. PUNTO DE OPERACIÓN EN UNA CURVA DE PRESIÓN ESTÁTICA VARIABLE ............................................................................................17 3.8.3. PUNTO DE OPERACIÓN EN UNA CURVA DE RESISTENCIA VARIABLE.......18 PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN ...........................................................................20 SOLUCIÓN A LA PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN ..................................................23

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Bombas Centrífugas y Curvas de Bombas

"BOMBAS CENTRÍFUGAS Y CURVAS DE BOMBAS" 1. DEFINICIÓN DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS Una bomba centrífuga consiste de un armazón, normalmente metálico en el cual hay un impulsor o rodete formado por un juego de álabes rotatorios dentro de un alojamiento, o carcaza, que utilizan para impartir energía a un fluido por medio de la fuerza centrífuga. El principio de funcionamiento de una bomba centrífuga es que el líquido que ingresa al cuerpo de la bomba, es impulsado por el rodete por fuerza centrífuga aumentando su velocidad, que luego es direccionado (por difusores) y que por diseño de la carcaza (volutas mayormente) la velocidad se cambia aumento de presión. Se presenta a manera de ilustración la similitud del funcionamiento de una bomba centrífuga, con el movimiento de un líquido en un balde al cual a través de su asa se somete e un movimiento rotatorio, la fuerza centrífuga impulsa al líquido por una conducto.

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2. PARTES DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA Se presenta a manera de ejemplo el despiece de una bomba centrífuga en donde se observa las principales partes que la conforman. Los nombres están señalados por letras: A: B: C: D y N: E: M: K: L: H: F y G:

empaquetadura, o estopada. arcos metálicos para presionar las empaquetaduras. prensaestopas, con sus tornillos de sujección tienen por misión estopada. carcaza inferior del cuerpo de la bomba brida que sujeta a la tubería de succión base del cojinete cojinete engrasador impulsor o rodete de la bomba exterior e interior de la parte superior de la bomba.

presionar la

2.1. IMPULSORES Son los elementos mecánicos diseñados de acuerdo a los requerimientos de los materiales a impulsar. Estos se pueden clasificar de acuerdo a la dirección de flujo que son impulsados, por la forma de admisión de líquido, por su construcción mecánica.

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2.1.1.


IMPULSORES DISEÑADOS DE ACUERDO A LA DIRECCIÓN DE FLUJO •

Impulsores de Flujo Radial: son aquellos que el líquido lo impulsan en dirección radial, obedece al diseño de los álabes del impulsor.

•

Impulsores de flujo axial: son aquellos que por diseño de los rodetes, impulsan en dirección axial ( al eje) al líquido.

Álabes del impulsor I

IMPULSOR DE FLUJO AXIAL

•

Impulsores de flujo mixto: son aquellos que cambian los principios de flujo radial y axial.

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2.1.3.

Bombas Centrífugas y Curvas de Bombas IMPULSORES DISEÑADOS DE ACUERDO A SU ADMISIÓN •

Succión simple: son aquellos cuando solo hay una entrada a un lado de la bomba.

•

Doble succión: cuando el líquido fluye hacia el impulsor en forma simétrica, de los dos lados.

POR SU CONSTRUCCIÓN MECÁNICA •

Cerrados: son aquellos cuyos álabes del impulsor tienen placas de refuerzo o paredes laterales que limitan a los conductos para el líquido.

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Bombas Centrífugas y Curvas de Bombas •

Abiertos: son aquellos impulsores que no tienen paredes de refuerzo.

•

Semiabiertos: son aquellos donde los álabes están adosados a una placa de refuerzo.

2.2. CARCAZAS Y DIFUSORES 2.2.1.

BOMBAS CON CARCAZA DE VOLUTA Este tipo de bomba cuya carcaza es parecida al caparazón de un caracol. La forma más sencilla de las bombas centrífugas es de etapa única, succión única e impulsor abierto

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Bombas Centrífugas y Curvas de Bombas El impulsor va montado en la carcaza de la bomba C, (observe la figura) de tal forma que las dos mitades de la carcaza están tan próximas como es posible a los álabes del impulsor. El líquido ingresa por la conexión de succión y es lanzada hacia afuera por el movimiento rotacional de los álabes. A medida que el líquido sale de los álabes y entra a la voluta D de la carcaza, su velocidad disminuye. La presión aumentará, siendo esta la fuente de carga hidrostática de la bomba. En estas bombas hay pérdida de energía debido a la turbulencia en el punto en que el líquido cambia su dirección desde el movimiento radial ( por acción del impulsor) a tangencial, en la voluta de descarga.

2.2.2.

BOMBAS DE TURBINA Las bombas de turbina se distinguen por la inserción de un anillo difusor cuyo objetivo es permitir que el líquido efectúe este cambio de dirección suavemente, sin choques, ni remolinos.

Bomba de turbina de aspiración simple y una sola etapa: A. anillo difusor; B, pasos en el anillo difusor; C, rodete; D, voluta de descarga; E, portillas de equilibrio; F, soporte de empuje; C, tuberías para el cierre hermético; H, anillo de linterna. 2.3. ANILLOS DE DESGASTE Son aquellos dispositivos especiales baratos y fáciles de cambiar que son acondicionados en los impulsores y las carcazas por ser las partes de las bombas centrífugas más expuestas a la acción abrasiva de los líquidos. 2.3.1.

ANILLOS BOQUILLA Son aquellos que dejan un espacio axial grande entre el impulsor y el anillo de la carcaza de tal forma que permite que la velocidad del líquido sea baja en la corriente que entra al eje de succión además que lo guía hacia esa dirección. -6-

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2.3.2.


ANILLOS DE INTERFERENCIA Son aquellos diseñados de tal forma que tienen dos o más juntas de escape anulares conectadas a una cámara de alivio.

2.3.3.

ANILLOS BARRIDOS CON AGUA Son usados especialmente en bombas de agua cruda en servicios de plantas de agua y servicios de aguas negras los cuales contienen arena o cascajo.

2.4. EJES Y CAMISAS PARA LOS EJES La función básica del eje de una bomba centrífuga es la de transmitir los pares motores que se encuentran en el arranque y durante la operación, mientras soportan al impulsor y otras partes en rotación. -7-

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En el caso de una bomba centrífuga horizontal el eje es una sola pieza a lo largo de toda la bomba. En las bombas verticales de pozo profundo, los ejes (o flechas) están distribuidos en la siguiente forma: la serie de impulsores están unidos a una flecha y una serie de flechas están unidas por acoplamientos para completar toda la longitud del pozo. Las camisas de los ejes ( o flechas) protegen a las flechas contra la corrosión, la erosión y el desgaste en la caja del estopero.

2.5. COJINETES Los ejes tienen que apoyarse, y lo hace a través de los gorrones. Estos gorrones están sometidos a fuerzas de rozamiento. Es por ello que los cojinetes, anillos de bronce generalmente son los soportes de los gorrones. Los cojinetes en forma sencilla consisten en simples aros cuyas superficies están perfectamente mecanizados. Están dotados de un sistema de engrase a través de unas ranuras por el cual circula el aceite de engrase.

2.6. RODAMIENTOS Pueden ser radiales o axiales, pueden ser construidos con bolas o rodillos. En la figura se observa un rodamiento a bolas cortado, obsérvese que está formado de dos aros de acero, por cuyo intermedio se deslizan esferas del mismo material. Los cojinetes de rodillos son idénticos a los de bolas diferenciándose en que los elementos de rodamiento son cilíndricos.

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El montaje de estos rodamientos se puede observar en la figura. El anillo (1) interior está firmemente fijado a presión al eje o árbol y el anillo exterior (2) fijado al soporte, que a su vez se atornilla al cuerpo de la bomba.

3. CURVAS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS 3.1. ENSAYO ELEMENTAL A través del ensayo elemental de una bomba se pude obtener las curvas características. Este ensayo elemental consiste en que manteniéndose constante el número de revoluciones, n, se varía el flujo volumétrico, Q y se obtienen experimentalmente las curvas: Cargas versus Caudal; Potencia al freno versus Caudal y Rendimiento versus Caudal. 3.2. CURVA CARGA-CAUDAL ( H-Q ) Esta curva es normalmente decreciente, pues al aumentar la velocidad de paso por el interior de la bomba, el fluido está sometido menos tiempo a la aceleración de las álabes del impulsor, recibiendo una menor cantidad de energía cinética, siendo la carga total adquirida menor. -9-

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Un impulsor ancho, su curva H-Q, es casi aplanada, mientras que con impulsor angosto la curva H-Q es más inclinada. La inclinación de los álabes altera la curva HQ, hay relación directa cuanto más inclinada son los álabes, la curva H-Q también lo es. El número de álabes también influye, así, a mayor número de álabes del impulsor se obtiene una curva más aplanada y lógicamente a menor número de álabes la curva H-Q es más inclinada. H-Q

para impulsor ancho

H H- H H-Q para impulsor angosto

Q

3.3. CURVA DE POTENCIA DE ACCIONAMIENTO (PA-Q) Esta curva es del tipo ascendente, pues al impulsar un caudal de líquido mayor, la energía que es necesaria aplicar al eje de la bomba deberá ser también mayor. Teniendo en cuenta las pérdidas que se producen en las bombas: las mecánicas (rozamiento en prensa-estopas, del eje con los cojinetes, el rozamiento de disco, etc), las hidráulicas (rozamiento del fluido entre sí, con el impulsor, corona directriz, etc), y las volumétricas (corriente de recirculación y escapes al exterior) modifican la potencia de accionamiento, siendo la potencia útil la que recibe el fluido. El rendimiento total, nt= Pu/Pa ( Potencia útil / Potencia al freno).

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Pa (HP)

Q 3.4. CURVA DE RENDIMIENTO-CAUDAL ( NT-Q ) Como el rendimiento total de una bomba, relaciona la potencia útil y la potencia de accionamiento ( al freno), esta curva es normalmente ascendente llegando a un máximo, el cual corresponde al flujo volumétrico de operación.

ηt

Q

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3.5. CURVA DE LA N.S.P.H-CAUDAL (N.S.P.H -Q ) El N.S.P.H requerido por la bomba, es la información técnica que el proveedor de bombas debe entregar al usuario de las mismas. Estas curvas son elaboradas normalmente, utilizando el agua como fluido de trabajo y los experimentos se realizan al nivel del mar.

NSPH

Q Normalmente el fabricante le ofrece la curvas de las bombas en forma completa. En la figura se muestra las curvas características de una bomba auto cebante, en ellas están graficadas las curvas carga-caudal, H-Q; la potencia al freno-caudal, Pa-Q; la rendimiento-caudal, nt-Q y la N.S.P.H -caudal.

H curva HQ

curva ηt-Q ηt

Pa (HP)

curva Pa-Q curva NSPH-Q

NSPH

Q

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3.6. CURVA DE ENSAYO COMPLETO El ensayo completo de una bomba es de un conjunto de ensayos elementales, caracterizado cada uno por un número de revoluciones distinto: consta de varias ( 5 a 8) curvas H-Q y de varias curvas ηt = C. Al conjunto de todas las curvas se denomina curvas de concha ( o colina de rendimientos). Las bombas pueden ser accionadas no sólo por motores de inducción de velocidad constante, sino también por motores de gasolina, o diesel, turbinas de vapor, etc. de velocidad regulable a través de cambios de velocidad mecánicos o hidraúlicos, es decir, una bomba puede trabajar a número de revoluciones distintas. La figura se observa que la bomba puede funcionar en toda una región del plano HQ que se llama campo característico. La línea de trazos que une los puntos medios de las curvas de isoeficiencia se denomina Línea máxima de rendimiento.

Q Curvas de diámetro del impulsor En la figura se muestra la familia de curvas que muestran el comportamiento de una bomba en particular con impulsores de diferentes diámetros. Se superponen usualmente las curvas de isoeficiencia. Están dispuestas las curvas de potencia al freno y la curva de N.S.P.H requerida.

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3.7. CURVAS DE SISTEMA DE BOMBEO Al definir una carga de una bomba, si el flujo es turbulento (lo cual es normal), la carga manométrica de la bomba ( o altura dinámica total) se puede expresar: Hm = hp +hest. + kQ2 Si la carga de presión, hp = 0 ( tanque abierto a la atmósfera), se reduce: Hm = Hest. + kQ2 Si los tanques están al mismo nivel hest. = 0, la ecuación se reduce a: Hm = kQ2 3.7.1.

CURVA DE FRICCIÓN DEL SISTEMA Se sabe que la pérdida de carga, en un sistema de bombeo depende del tamaño de la tubería, la longitud, la velocidad de flujo, las características internas de la tubería y naturaleza del fluido como así mismo los tipos de accesorios o singularidades instaladas en el sistema ( válvulas, codos, expansiones, etc.) En la figura se muestra el caso de un bombeo de fluido del depósito A al B ( estando ambos al mismo nivel o que haya una diferencia muy pequeña ), la carga manométrica depende únicamente de la pérdida de carga ( por fricción y accesorios ) y la curva sería de tipo parabólico.El término Hf es la pérdida de carga.

H

Hf A

B

Q Bomba

3.7.2.

CURVA TÍPICA DE UN SISTEMA DE BOMBEO En un sistema típico de bombeo interesa tanto la carga de presión, carga estática y la pérdida de carga. Si en la figura se muestra que un fluido se transporta del depósito A al B por medio de una bomba, y si los recipientes están debidamente ventilados ( se ejerce la presión atmosférica sobre ellos), se muestra la curva H-Q. El término Hest. es la elevación estática de succión. Si alguno de los recipientes o ambos están sometidos a vacío, o presurizados, habría que agregar la correspondiente carga. -14-

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3.7.3.

CURVA DE MAYOR CARGA ESTÁTICA Y ESCASA PÉRDIDA DE CARGA Esto se presenta usualmente cuando se bombea líquidos que están en depósitos debajo de la superficie del suelo. Se entiende que para que haya escasa pérdida de carga es cuando no hay muchos accesorios y el tramo es tipo lineal en lo posible. H B

hc

Bomba

Q

A

3.7.4.

CURVA DE CARGA POR GRAVEDAD Este caso se presenta cuando el nivel del tanque que provee el líquido, es mayor que el nivel del depósito que recepciona dicho fluido, se opta por usar una bomba cuando se requiere aumentar el caudal.

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(+) H Q gravedad

A

Bomba

(-)

B

H gravedad Q

En este caso una parte de la curva del sistema pasa por valores negativos, intersectando a la abscisa en un valor de Q por gravedad, esto indica el flujo volumétrico que circularía sin necesidad del uso de una bomba. 3.7.5.

CURVA DE SISTEMA DE BOMBEO PARA DIFERENTES TAMAÑOS DE TUBERÍAS En este caso se pueden graficar independientemente las curvas de pérdidas de carga para cada tubería en función del flujo volumétrico. Para obtener la gráfica de la curva total del sistema, se debe adicionar a la carga estática ( si no hay otra carga, por ejemplo la presión) la suma de la pérdidas de carga de cada tubería. H Curva del sistema

Curva de pérdida para ∅ d

B

Hest

Hest

d

Curva de pérdida para ∅ D

A Q

Bomba Bomba

D

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3.8. PUNTO DE OPERACIÓN ( PUNTO DE TRABAJO) PARA UNA BOMBA Constituye el punto de intersección de la curva característica de la bomba ( H-Q bomba) y la curva característica del sistema de bombeo o sea la denominada H-Q del sistema. Si a los ejemplos de arreglos de sistema de bombeo se interceptará con la curva H-Q bomba, lograríamos los puntos denominados de operación o de trabajo. A manera de ilustración se presentan ejemplos para ubicación del punto de trabajo. 3.8.1.

UNTO DE OPERACIÓN EN UNA CURVA HQ DEL SISTEMA TÍPICO En este caso el recipiente de alimentación y el de recepción del fluido están a presión. Para la determinación de la carga del sistema fijo, estas son las suma estática y la carga de presión. El punto de operación se ubicará en a intersección de la curva HQ del sistema y el HQ de la bomba.

H

HQ bomba B

y

O

Curva HQ del sistema total

Carga del sistema fijo (Pa/γ +y)-(Pb/γ )

A

Caudal de posición Q

3.8.2.

PUNTO DE OPERACIÓN EN UNA CURVA DE PRESIÓN ESTÁTICA VARIABLE En un sistema como el de la figura desde un recipiente de almacenamiento abierto o cerrado) se impulsa un fluido por medio de una bomba centrífuga hasta otro recipiente receptor (abierto o cerrado ) siendo su alimentación por la puerta inferior, el flujo volumétrico de la bomba disminuirá al aumentar la carga estática. En este caso habría dos curvas HQ de sistema que corresponderían a una carga estática máxima y mínima y por consiguiente dos puntos de operación al interceptar dichas curvas con la de la bomba.

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H HQ bomba

B

Y2

A Y1

Y2 Y1

Flujo B

Flujo A Q

Bomba

Para contrarrestrar este inconveniente normalmente se utiliza una bomba con diferentes velocidades del impulsor con la finalidad de mantener constante el flujo volumétrico, tal como se observa en la figura. H HQ bomba a velocidad máxima

HQ sistema a carga máxima

HQ bomba a velocidad mínima

Flujo constante

3.8.3.

HQ sistema a carga mínima

Q

PUNTO DE OPERACIÓN EN UNA CURVA DE RESISTENCIA VARIABLE Cuando se manipula una válvula de regulación en la descarga de una bomba, se produce una variación de la resistencia total modificando la curva HQ del sistema. El flujo máximo se obtiene con la válvula completamente abierta, y progresivamente al estrangular la válvula, la pendiente de la curva característica del sistema aumenta, de tal forma que con la válvula completamente cerrada se obtiene una carga manométrica máxima.

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Bombas Centrífugas y Curvas de Bombas En la figura se observa las figuras descritas y los puntos de operación.

HQ bomba H

Diferentes posiciones de la válvula de regulación

Válvula

Bomba Flujo máximo Q válvula completamente. abierta

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4. PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN 1

¿ Qué es una bomba centrífuga?

2

¿ Cuáles son las partes fundamentales de una bomba centrífuga?

3

¿ Qué es un impulsor?

4

¿ Qué es una bomba de carcaza de voluta?

5

¿ Qué función cumplen los anillos de desgaste?

6

Señale que accesorios colocaría en el siguiente sistema

7

¿ Qué tipos de válvulas se usan comúnmente?

8

Para los sistemas mostrados en las figuras ¿cuál debería ser su curva en el gráfico HQ?

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¿ Cuál es el punto de operación de la bomba, tomando como base las curvas mostradas en la figura?

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5. SOLUCIÓN A LA PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN 1

La bomba centrífuga es una bomba dinámica, que impulsa líquidos por fuerza centrífuga. El elemento rotatorio es el impulsor, el cual impulsa al líquido a través de difusores (orientadores del flujo) y golpea la carcaza de la bomba transformando la energía cinética en energía de presión.

2

Las partes fundamentales de la bomba centrífuga son: a. impulsor b. carcaza c. difusor d. anillos protectores de carcaza e. eje f. cojinetes g. rodamientos

3

El impulsor o rodete, es el elemento mecánico de diversos diseños que impulsan los líquidos en la bomba centrífuga.

4

Una bomba centrífuga de carcaza de voluta, es aquella cuya carcaza tiene la forma física de caparazón de caracol, para transformar la energía cinética en energía de presión.

5

Los impulsores de las bombas están expuestos a la acción abrasiva de los líquidos, por lo que deben ser protegidos, por ello se utilizan anillos de desgaste, cuya finalidad es proteger los impulsores y son fácilmente intercambiables.

6

En el ejemplo colocaría en la posición 1, una válvula de retención y en la posición 2, una válvula de pie con canastilla para evitar la pérdida del cebado de la bomba.

7

Las válvulas más comunes utilizadas en el sistema de bombeo son: a. Válvula de paso b. Válvula de cierre c. Válvula de retención. d. Válvula de pie.

8

Las curvas deben ser:

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a)

H

Q b) H

Q c) H Q por gravedad Ces

Q

9

El punto de operación de la bomba es la intersección entre la curva HQ de la bomba y la curva HQ del sistema de bombeo, en los cuales se dan los parámetros H1, carga de la bomba y Q1 el caudal del sistema.

FIN DE LA UNIDAD -24-

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