UNIVERSIDAD NACIONAL NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA
BOMBA CENTRIFUGA “Informe”
Presentado al: Ing. Román Román Justo CALDERON CARDENAS. FACILITADOR DEL CURSO CURSO 0.91B ‘’ Diseño De Plantas Químicas I ’’
Realizado por
CHULLUYNCUY CENTENO, Javier Matias.
LUCAS ROSALES, Jorge Jonathan.
TORIBIO HUAMANI, Nidia Yanina.
Alumno de IX ciclo de Ingeniería Química
Huancayo, 21 de octubre 2013
INTRODUCCIÓN Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio llamado rodete llamado rodete en energía en energía cinética y potencial requeridas. El fluido entra por el centro del rodete, que dispone de unos álabes para conducir el fluido, y por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba, que por el contorno su forma lo conduce hacia las tubuladuras de salida o hacia el siguiente rodete . El presente trabajo ha tiene como objetivo como objetivo principal estudiar los diferentes conceptos y definiciones de bomba centrífuga. Esto es totalmente necesario para el curso de diseño de plantas químicas puesto que en casi todas las plantas químicas siempre se encuentra una bomba de este tipo . A partir de esta experiencia, es posible la confección de las curvas características para la misma; dentro de éstas, la energía suministrada por la bomba (en metros), la potencia de eje y la de eficiencia. de eficiencia.
INTRODUCCIÓN Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio llamado rodete llamado rodete en energía en energía cinética y potencial requeridas. El fluido entra por el centro del rodete, que dispone de unos álabes para conducir el fluido, y por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba, que por el contorno su forma lo conduce hacia las tubuladuras de salida o hacia el siguiente rodete . El presente trabajo ha tiene como objetivo como objetivo principal estudiar los diferentes conceptos y definiciones de bomba centrífuga. Esto es totalmente necesario para el curso de diseño de plantas químicas puesto que en casi todas las plantas químicas siempre se encuentra una bomba de este tipo . A partir de esta experiencia, es posible la confección de las curvas características para la misma; dentro de éstas, la energía suministrada por la bomba (en metros), la potencia de eje y la de eficiencia. de eficiencia.
RESUMEN
Las
bombas centrifugas se clasifican en tres tipos de bombas más
importantes estas son radial de flujo mixto y axial estas pueden ser de una etapa o de varias etapas. El estudio de los componentes de una bomba centrifuga se basa en el principio de Euler teoría del impulsor en el cual también se incluye la
deducción de la
altura máxima
de una
bomba
calculada con el momento angular de la masa del líquido proyectado por la bomba. Estos principios generan diferentes curvas características entre las que destacan la altura vs caudal, y la potencia vs capacidad de la bomba . Otro elemento importante de estudio es el estudio del efecto del canal de entrada al impulsor y el tubo de succión todo esto en el tema de entrada al impulsor y pre rotación. Los caudales de funcionamiento también son temas importantes de estudio en este tema en los que se relacionan los términos eficiencia carga de capacidad potencia y caudal. En los
últimos años se
generaron
bombas centrifugas mucho
mas
tecnológicas evitando así el fenómeno de cavitación incrementando el riesgo del problema de la succión especialmente cuando operan fuera de su condición de diseño En general se describen todos los conceptos relacionado con la boba centrifuga además de ello se presenta
también en forma detallada el
procedimiento para calcular las curvas características de una bomba centrifuga donde se se describen gráficamente gráficamente cada una de ellas..
OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL
El
presente trabajo tiene como objetivo estudiar los diferentes
conceptos y definiciones de bomba centrífuga.
OBJETIVO ESPECIFICO
Identificar
las
diferentes relaciones
matemáticas
funcionamiento de una bomba centrifuga.
que
rigen
el
I. 1.1.
BOMBAS
CONCEPTO Las bombas son dispositivos que se encargan de transferir energía a la corriente del fluido impulsándolo, desde un estado de baja presión estática a otro de mayor presión. Están compuestas por un elemento rotatorio denominado impulsor, el cual se encuentra dentro de una carcasa llamada voluta. Inicialmente la energía es transmitida como energía mecánica a través de un eje, para posteriormente convertirse en energía hidráulica. El fluido entra axialmente a través del ojo del impulsor, pasando por los canales de éste y suministrándosele energía cinética mediante los álabes que se encuentran en el impulsor para posteriormente descargar el fluido en la voluta, el cual se expande gradualmente, disminuyendo la energía cinética adquirida para convertirse en presión estática.
Fig.1.1 bomba centrifuga
1.2.
SELECCIÓN DE UNA BOMBA Para la selección de una bomba se tiene que entender que al inspeccionar un catálogo comercial, el comprador tiene la necesidad de conocer el medio que va ser bombeado, el flujo, el incremento de presión, temperatura, presión interior y consumo de potencia. Además un comprador debe especificar los materiales de construcción y el tipo de bomba.
Materiales de construcción (generalmente de fundición de hierro o acero al carbono) En general,el consumo de potencia puede calcularse a partir de otros parámetros conocidos utilizando la ecuación de energía mecánica generalizada de la siguiente:
w
p 2
u 2
u 2 4 fL g z ( p 2 2 D p1 m f
dp
K ) i
i
(1.1)
Si se aplica la ecuación (1.1) específicamente a las fronteras de la bomba, hay un cambio despreciable en la velocidad y elevación, y los términos que comprenden a
u
y z se desprecian. Las pérdidas
2
por fricción y en los accesorios (o sea, los términos que están en el lado derecho de la ecuación 1.1) son funciones complejas del movimiento del fluido dentro de la carcasa de la bomba. El factor
i
está dado por la eficiencia intrínseca; el cual puede
emplearse simple o directamente en el proceso. Tomando en cuenta estas consideraciones y el conocimiento de que la densidad de los líquidosvaría muy poco con la presión, la ecuación 1.1 puede reducirse a:
i
w s
m
p
(1.2)
Lo cual de una forma más conveniente para el diseño de bombas tenemos:
w s
m p
(1.3)
i
En este caso la eficiencia fue especificada para el sistema excluyendo el impulsor, el cual normalmente en un motor eléctrico y
algunas veces una turbina de vapor. De esta manera
w s = potencia
de freno o de eje, la cual entra al sistema a través de un eje en
movimiento .observemos que
w s , una cantidad positiva, se opone a
la convención de la termodinámica, en donde el trabajo desarrollado por el sistema es positivo. Por lo tanto, permanecen en esta sección para
identificar las
bombas por el tipo y para establecer los lineamientos para su elección. Usando la ecuación de la ecuación de la energía mecánica, se calcula la potencia al freno para una bomba en un aplicación dada por un medio de:
w s
q p
(1.4)
i
Esta ecuación es la misma que la (1.3), excepto que se ha reemplazado de la relación de flujo en masa con respecto a la
densidad
m por su equivalente q , o sea el flujo volumétrico. La
eficiencia intrínseca
i
compensa la fricción y las pérdidas de
energía dentro de las bombas.Para calcular el consumo de potencia P la potencia al freno debe estar dividida por otra eficiencia, o sea la del impulsor
d
P
q p
(1.5)
i d
Como los costos se relacionan con
w s y los costos de operación
son proporcionales a P, estas son las únicas ecuaciones necesarias para el análisis económico y diseño preliminar. Como se mencionó
anteriormente, q y p pueden obtenerse directamente del balance de materia del diagrama del flujo de proceso.
Para identificar el tipo de bomba y su eficiencia intrínseca para una aplicación dada es útil. La eficiencia de los impulsores pueden obtenerse de la (fig.1.1). Cabe saber que la mayoría de los tipos de bombas
de
líquidos
tienen
contrapartes
correspondientes
másgrandes, más costosas y más fuertes, que actúan como transportadores de gas y comprensores. Las razones para estas distinciones se encuentran en la diferencia de densidad entre un gas y un líquido y en el efecto que tienen sobre el consumo de potencia y el tamaño del equipo. Las bombas pueden categorizarde acuerdo con su modo físico de locomoción,
bomba
centrifuga,
desplazamiento
mecánico,
transferencia de momento y desplazamiento volumétrico.
1.3.
BOMBAS CENTRIFUGAS Una bomba centrífuga es una máquina que consiste de un conjunto de paletas rotatorias encerradas dentro de una caja o cárter, o una cubierta o coraza. Se denominan así porque la cota de presión que crean es ampliamente atribuible a la acción centrífuga. Las paletas imparten energía al fluido por la fuerza de esta misma acción. Así, despojada de todos los refinamientos, una bomba centrífuga tiene dos partes principales: (1) Un elemento giratorio, incluyendo un impulsor y una flecha, y (2) un elemento estacionario, compuesto por una cubierta, estoperas y chumaceras. Sin embargo, ya que las bombas centrifugas radiales pueden efectuar al mismo servidor a un costo competitivo, podemos enfocarnos en ese diseño con la seguridad de que las unidades regenerativas o de flujo axial crearan un cambio despreciable en la economía del proceso. La bomba centrifuga es el transportador másconfiable, de trabajo pesado y económico, de los líquidos de baja viscosidad en grandes volúmenes. Su forma espiral característica como de caracol es
familiar para os operadores de planta y la gente de mantenimiento de la (fig.1.1) Para identificar la eficiencia adecuada si las condiciones son intensas, los flujos bajos, o si la viscosidad del fluido bajos, o si viscosidad del líquido es mayor de0.5 Pa*s. Para el servicio de gran de volumen a presión moderada escójanse eficiencias cercanas al máximo con líquidos limpios, de viscosidades menores de 0.5 Pa*s. Se puede expresar la eficiencia contra la relación de flujo para los fluidos limpios de baja viscosidad por medio de:
i
1 0.12q 0.27
(1.5)
1.3.1. Clasificación de bombas centrifugas Las bombas centrifugas se clasifican de acuerdo a los criterios mostrados. Las bombas axiales no son bombas centrifugas, pero por tener un funcionamiento muy similar a ellas se han incluido en esta clasificación. 1.3.1.1.
De acuerdo a la admisión del liquido :
Bombas de flujo radial: El líquido entra axialmente en el impulsor a través de la boquilla de aspiración y es descargado radialmente hacia la carcasa de la bomba (Fig. 2).Se utilizan impulsores radiales que pueden ser del tipo abierto, semiabierto o cerrado (Fig.3). Se emplean cuando se requiere bombear líquidos a alturas entre intermedias y elevadas. En algunos tipos de bomba el flujo de ingreso también es en forma radial.
Bombas de flujo mixto.-El líquido entra axialmente en el impulsor y es descargado en una dirección intermedia entre la radial y la axial.Se utilizan impulsores radiales que pueden ser del tipo abierto o cerrado. Se emplean en servicios que requieren bombear alturas intermedias (Fig. 2 y 3).
Bombas de flujo axial.- El líquido entra y sale del impulsor en forma axial. Se utilizan para bombear grandes caudales a poca altura, especialmente agua potable o aguas residuales tratadas. Son menos caras que las de flujo radial o mixto (Fig. 2 y 3).
1.3.1.2.
Tipo de impulsor
Bombas de Impulsor abierto.- Los alabes son libres en ambas caras y están sujetas por un anillo central por donde ingresa el líquido. Sus aplicaciones son en agua potable y en líquidos residuales. Son de mantenimiento sencillo por el fácil acceso a los alabes de la bomba. Las principales desventajas son su debilidad estructural y la baja eficiencia en comparación con la de un impulsor cerrado, pero tiene la ventaja que puede dejar pasar restos de materiales relativamente grandes sin obstruirse(Fig. 3).
Bombas de Impulsor semiabierto.- En este caso, los alabes son libres en una de las caras y fijados por el otro en un disco, su uso es apropiado en líquidos viscosos y en aguas residuales, tienenmayor resistencia a la abrasión que los impulsores cerrados. Presentan mayorfacilidad y menor costo de mantenimiento que los impulsores cerrados, ytienen mayor estabilidad que los impulsores abiertos (Fig. 3).
Bombas de Impulsor cerrado.- El impulsor está constituido de dos discos paralelos que encierran totalmentelas vías del agua desde el orificio de succión hasta la periferia del impulsor. Elflujo en el impulsor es mejor orientado y el rendimiento es mayor. Suaplicación es recomendable en líquidos limpios, ya que tiene poca resistencia ala abrasión. Cuando se emplean en líquidos residuales se utilizan el del tipoinatascable.
1.3.1.3.
De acuerdo con el modo de ingreso del agua en el impulsor.
Bombas con impulsor de succión única.- Un solo orificio de succión y son utilizados en pequeñas instalaciones de agua potable y con aguas residuales.
Bombas con impulsor de succión doble .- Dos impulsores simples son instalados en paralelo, dorso contra dorso, cadauna trabajando con la misma altura de elevación y con la mitad del caudaltotal. Se utilizan en aplicaciones de grandes capacidades (Fig. 3).
1.3.1.4.
De acuerdo con al número de etapas de descarga
Bombas de etapa simple.- Tienen un único impulsor, son aplicados cuando no se necesita elevar ellíquido a grandes alturas.
Bombas de dos o más etapas.- Tienen dos o más impulsores instalados en serie, con la descarga de unohaciéndose en la succión del siguiente. El caudal de bombeo es el mismo entodas las etapas. La altura de elevación total es la suma de la altura deelevación de cada impulsor. Pueden ser construidas con el eje horizontal overtical. Son aplicadas en instalaciones de agua potable y aguas residuales degran altura de elevación (Fig. 2)
1.3.1.5.
De acuerdo con la posición de la bomba
Bombas de eje horizontal.- Son las más comunes y de aplicación a todos los fines.
Bombas de eje vertical :
No sumergidas, las cuales son aplicadas cuando se quiere economizar espacioy son instaladas en pozo seco bajo el nivel de la superficie del suelo.
Sumergidas, las cuales trabajan sumergidas en un pozo de succión, accionadas(a través de un eje de transmisión) por un motor situado en un pozo seco.
Bomba y Motor sumergidos.- Trabajan sumergidos en un pozo de succión, con el motor por debajo delcuerpo de la bomba y no son directamente inspeccionables.
Fig.1.2.principio del funcionamiento de una bomba centrifuga
1.3.2. FUNCIONAMIENTO Las bombas centrífugas mueven un cierto volumen de líquido entre dos niveles; son pues, máquinas hidráulicas que transforman un trabajo mecánico en otro de tipo hidráulico. Los elementos de que consta una instalación son: a) Una tubería de aspiración, que concluye prácticamente en la brida de aspiración. b) El impulsor o rodete, formado por un conjunto de álabes que pueden adoptar diversas formas, según la misión a que vaya a ser destinada la bomba, los cuales giran dentro de una carcasa circular. El rodete es accionado por un motor y va unido solidariamente al eje, siendo la parte móvil de la bomba. El líquido penetra axialmente por la tubería de aspiración hasta la entrada del rodete, experimentando un cambio de dirección más o menos brusco, pasando a radial, (en las centrífugas), o permaneciendo axial, (en las axiales), acelerándose y absorbiendo un trabajo. Los álabes del rodete someten a las partículas de líquido a un movimiento de rotación muy rápido, siendo proyectadas hacia el exterior por la fuerza centrífuga, creando una altura dinámica de forma que abandonan el rodete hacia la voluta a gran velocidad, aumentando también su presión en el impulsor según la distancia al eje. La elevación del líquido se produce por la reacción entre éste y el rodete sometido al movimiento de rotación. c) La voluta es un órgano fijo que está dispuesta en forma de caracol alrededor del rodete, a su salida, de tal manera que la separación entre ella y el rodete es mínima en la parte superior, y va aumentando hasta que las partículas líquidas se encuentran frente a la abertura de impulsión. Su misión es la de recoger el líquido que abandona el rodete a gran velocidad, cambiar la dirección de su movimiento y encaminarle hacia la brida de impulsión de la bomba. La voluta es también un transformador de energía, ya que frena la velocidad del líquido, transformando parte de la energía dinámica creada en el rodete en energía de presión, que crece a medida que
el espacio entre el rodete y la carcasa aumenta, presión que se suma a la alcanzada por el líquido en el rodete. En algunas bombas existe, a la salida del rodete, una corona directriz de álabes que guía el líquido antes de introducirlo en la voluta. d) Una tubería de impulsión, instalada a la salida de la voluta, por la que el líquido es evacuado a la presión y velocidad creadas en la bomba.
Figura 1.3. Partes de una bomba centrífuga
1.3.3. PARTES DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA:
Carcasa.
Es la parte exterior protectora de la bomba y
cumple la función de convertir la energía de velocidad impartida al líquido por el impulsor en energía de presión. Esto se lleva a cabo mediante reducción de la velocidad por un aumento gradual del área.
Impulsores. Es el corazón de la bomba centrífuga. Recibe el líquido y le imparte una velocidad de la cual depende la carga producida por la bomba.
Anillos de desgaste. Cumplen la función de ser un elemento fácil y barato de remover en aquellas partes en
donde debido a las cerradas holguras entre el impulsor y la carcasa, el desgaste es casi seguro, evitando así la necesidad de cambiar estos elementos y quitar solo los anillos.
Estoperas, empaques y sellos. la función de estos elementos es evitar el flujo hacia fuera del líquido bombeado a través del orificio por donde pasa la flecha de la bomba y el flujo de aire hacia el interior de la bomba.
Flecha. Es el eje de todos los elementos que giran en la bomba centrífuga, transmitiendo además el movimiento que imparte la flecha del motor.
Cojinetes. Sirven de soporte a la flecha de todo el rotor en un alineamiento correcto en relación con las partes estacionarias.
Soportan las cargas radiales y axiales
existentes en la bomba.
Bases. Sirven de soporte a la bomba, sosteniendo el peso de toda ella.
1.3.4. CARGA DE SUCCIÓN Y ELEVACIÓN DE SUCCIÓN Y ALGUNAS
CONDICIONES DE SUCCIÓN. Elevación de succión. Es la suma de la elevación estática de succión, de la carga de fricción de succión total y de las pérdidas de admisión (la elevación de succión es una carga de succión negativa).
Carga de succión. Es la carga estática de succión menos la carga de fricción total y las pérdidas de admisión, más cualquier presión que se encuentre en la línea de succión. Es una presión negativa (hay vacío) y se suma algebraicamente a la carga estática de succión
del
sistema.
Condiciones de succión. Por lo que respecta al líquido, se tomará en cuenta la influencia de su presión sobre la succión.
Presión de vapor. Si un líquido se encuentra a una temperatura arriba de su punto de ebullición, sufre evaporación en su superficie libre. En el seno del líquido se origina una presión que se llama
presión de vapor y que está en función directa con la temperatura del
líquido.
Presión de bombeo. Destinemos una bomba cualquiera para bombear un líquido. Al funcionar la bomba, tiende a formar un vacío en el seno del líquido. Éste succionar se conoce como presión de bombeo.
Carga neta de succión positiva (NPSH). Es la presión disponible o requerida para forzar un gasto determinado, en litros por segundo, a través de la tubería de succión, al ojo del impulsor, cilindro o carcasa de una bomba. En el bombeo de líquidos la presión en cualquier punto en la línea de succión nunca deberá reducirse a la presión de vapor
del
líquido.
NPSH disponible. Esta depende de la carga de succión o elevación, la carga de fricción, y la presión de vapor del líquido manejado a la temperatura de bombeo. Si se varía cualquiera de estos puntos, la NPSH
puede
alterarse.
NPSH requerida. Esta depende sólo del diseño de la bomba y se obtiene del fabricante para cada bomba en particular, según su tipo, modelo,
capacidad
y
velocidad.
Cebado de las Bombas. Consiste en la extracción del aire de la tubería de succión de la bomba para permitir un correcto funcionamiento. Esta operación se realiza en todas las bombas centrífugas ya que no son autocebantes, generalmente cuando ésta se encuentra en una posición superior al tanque de aspiración.
Carga Hidráulica. Es la energía impartida al líquido por la bomba, es decir, la diferencia entre la carga de descarga y la succión.
Punto de Shut-off. Representa la carga hidráulica que produce la bomba cuando el caudal a través de ella es nulo. (La válvula a la salida de la bomba está cerrada, con el fluido en contacto con el rodete).
Potencia Absorbida (N). Representa la potencia requerida por la bomba para transferir líquidos de un punto a otro y la energía requerida
para
vencer
sus
pérdidas.
Potencia Hidráulica (Ph). Potencia cedida al líquido en el proceso de
su
transferencia
de
un
punto
a
otro.
Rango de Operación. Es la zona en la cual la bomba opera en forma eficiente. Esta zona se determina como:
Dónde:
1.3.5. CURVAS CARACTERÍSTICAS EN SISTEMAS DE BOMBEO Para la instalación de bombas roto dinámicas es necesario realizar un detallado análisis de las variables en juego, tanto las de la bomba como las del sistema. En este trabajo se expone, desde un punto de vista práctico, las variaciones de estos parámetros en forma individual y la manera de analizarlos en conjunto.
1.3.5.1.
Curvas de la bomba La curva característica más importante de una bomba es la que indica la energía por unidad de peso -salto H (Kgrm/Kgr)entregada por la misma al líquido bombeado. La forma más habitual de graficar el salto es en función del caudal impulsado.
Las otras curvas características importantes son: la potencia consumida por la bomba para entregar dicha energía H y el rendimiento de esta transferencia de energía, ambas en función del caudal. Es importante tener en cuenta que en algunos casos se considera la potencia mecánica que recibe la bomba y en otros la potencia eléctrica que consume el motor que impulsa la bomba. La curva de rendimientos indicará' entonces, el que corresponde a la bomba o al grupo motor - bomba, respectivamente. La figura 12 muestra las características salto - caudal, potencia -caudal y rendimiento – caudal correspondientes a una bomba centrifuga con número de revoluciones constantes.
Grafica1.1. Características típicas de bombas centrifugas
Estas curvas dependen del tipo de bomba, del tamaño de la misma y de las condiciones de succión. Generalmente el salto disminuye y el rendimiento crece hasta un valor máximo, para luego decrecer, con el aumento del caudal. En la figura anterior la potencia mínima corresponde a caudal nulo, típico de las bombas
centrifugas, mientras que en las bombas axiales se da el casoinverso: potencia máxima a caudal nulo.
Grafica1.2.Características típicas de bombas centrifugas
1.3.6. CAVITACION La cavitación es relativamente fácil reconocer. En su forma media la cavitación puede ser reconocible debido a un ruido agudo que se ha descrito a menudo como si se bombearan granos de maíz o arena a través de la bomba. Si usted sospecha que existe cavitación en su sistema de la bombeo pero no está seguro porque usted no oye que dicho ruido, podría poner un destornillador sobre la cubierta de la bomba y el otro extremo a su oreja y reforzará su habilidad de oír el ruido dentro de la cubierta de la bomba. Otra señal segura de cavitación es que la medición de presión en la descarga del sistema de bombeo fluctuará significativamente encima de un rango de 5-10 p.s.i. en una alta relación de velocidad que indica que el flujo en la descarga es desigual. Un sistema que opere apropiadamente dará una medida de presión firme con una pequeña o inclusive ninguna
variación durante el funcionamiento de la bomba. La cavitación causa muchos efectos indeseables. Ya la bomba no está operando hidráulicamente en su equilibrio apropiado, está sujeta a tensiones dentro de la máquina que causan la desviación de árbol y un prematuro desgaste de los sellos y los rodamientos. Éstos son otros síntomas que indican cavitación. Si usted constantemente está reemplazando rodamientos y sellos en un sistema de bombeo particular, las posibilidades son que usted tiene un severo desalineamiento o bien cavitación. 1.3.6.1.
Consecuencias de la cavitación Los cinco razones mas comunes para la cavitación son:
A) La bomba fue sobredimensionada por el ingeniero que la especificó o un vendedor inexperto. El sobredimensionamiento de la bomba ocurre porque la persona que la especifica no hace un análisis detallado del sistema y determina la altura de presión apropiada y caudales requeridos para hacer el trabajo. Incluso cuando se hacen cálculos las personas tienen una tendencia a "cambiar" los números para "asegurarse." En realidad, cuando la bomba se pone en funcionamiento por primera vez, las cañerías de descarga son nuevas y por consiguiente las pérdidas en el sistema son originalmente menos de las que se calcularon. El sobre dimensionamiento resultante de la bomba es la causa más común de cavitación.
B) La segunda razón más común para el cavitación es un cambio en las demandas del sistema. Esto puede ser ilustrado fácilmente por un sistema de rocío donde se usa un número dado de boquillas y la presión fuerza el agua a través de las boquillas al caudal deseado, digamos, 100 lbs. A 100 lbs. nuestra bomba teórica puede descargar 100 galones por minuto en la curva de funcionamiento. A medida que las boquillas se corroen y más agua puede fluir a través de ellas, mientras que la altura de presión de la bomba es más baja. La bomba intenta bombear
líquido cada vez más, pero el suministro no puede mantenerse al ritmo de la demanda. Ahora el sistema bombeando produce sólo 50 lbs. de presión en la descarga de la bomba y el flujo a través de la bomba depende de la forma característica de la curva de funcionamiento y puede ser de 300 a 500 galones por minuto. La bomba ya no está operando en su rango de mejor eficacia debido a un cambio en los requisitos de funcionamiento del sistema que pueden muy bien pasar desapercibido al usuario y aparece un día "de repente". Muchas veces se escucha al operador, ingeniero de proyecto o capataz de producción decir que la bomba estaba trabajando bien ayer, trabajando bien durante años y de repente empezó a cavitar. . .
C) La tercer causa más común de cavitación en el lado succión está en una elevación de la succión o una bomba cuyo lado de succión aspira de un hoyo debajo del eje de la bomba. En esta situación, la suciedad dentro del sumidero pueden bloquear la succión de la bomba y así pueden desabastecer a la bomba de la cantidad apropiada de fluido que necesita para operar en su área más eficaz de actuación. También, las perdidas pueden desarrollarse en la línea de la succión y así se introduce aire en la bomba.
D) La temperatura combinada con el suministro marginal de la succión pueden actuar para causar cavitación. Los cambios en el proceso o los balances inusuales en las condiciones atmosféricas son las razones normalmente observadas.
E) Por último, otra explicación para el cavitación de la descarga es similar a la causa "B" dada anteriormente, excepto en marcha atrás. Como la líneas de descarga en el sistema se corroen o se tapan, la bomba es restringida en su rendimiento y puede aparecer cavitación en la descarga. Las válvulas anti retorno que no operen adecuadamente en la descarga o en el lado de succión de la bomba pueden causar cavitación, también.
1.3.6.2. Bomba centrifuga que esta cavitando Más allá del ruido obvio y característico que describimos y la medida de presión de descarga errática, una inspección del impulsor en una bomba centrífuga también revelará si está afectada por cavitación. Muy a menudo se escucha que los impulsores están "deteriorados". Debe entenderse que bajo condiciones de operación apropiadas los impulsores simplemente no se deterioran . Si los impulsores en sus bombas centrífugas aparecen deteriorados en el centro del impulsor, usted tiene cavitación en el lado de succión. Si usted tiene daño alrededor del diámetro exterior del impulsor de la bomba, y en la cubierta, usted tiene probablemente cavitación en la descarga. La cavitación no es un fenómeno exclusivo de las bombas centrífugas. La cavitación es la formación de vacío parcial en un líquido que fluye como resultado de la separación de sus partes. Cuando estos vacíos parciales colapsan ellos pican o dañan partes de cualquier cosa con las que ellos se ponen en contacto, en particular, las superficies metálicas o elastomericas de una bomba. En otras palabras, el cavitación afecta cada estilo de bomba ya sean centrífugas y de cavidad progresiva, bombas de engranajes, bombas de paleta corrediza, bombas de diafragma o cualquier otro tipo máquina que aplique energía al fluido. Las leyes de físicas aplican a todas las bombas y a todos los sistemas. Volvamos a nuestras maneras de demostrar que existe cavitación. Si usted tiene una condición de altura positiva y su medidor en la succión lee 10 p.s.i más entonces multiplique 10 x 2.31 qué es 23.10 pies. Deduzca que 23.10 pies de altura de presión de descarga es 231 pies de altura y su punto de operación es 207.90 ft. de altura del total. Refiérase a la velocidad del árbol rotante de la bomba para encontrar la curva de operación de la bomba, entonces determine donde la bomba está operando en su curva de la operación según sus lecturas. Asegúrese que la curva de operación de la bomba sea la misma de velocidad de su motor. Pueden cambiarse motores de una RPM a otra.
1.4.
ALCANCE. Esta norma establece los requerimientos mínimos para el diseño mecánico de bombas centrífugas y sus materiales, cuya clasificación general es: con impulsor en cantiliver, montado entre cojinetes y verticalmente suspendido (ver figura No. 1), para fluidos inflamables y peligrosos en todas las condiciones de operación; y para fluidos no inflamables y no peligrosos que se encuentran por arriba de las siguientes condiciones de operación:
Presión máxima de descarga: 1,900 kPa (275 lb/pulg2).
Presión máxima de succión: 500 kPa (75 lb/pulg2).
Temperatura máxima de bombeo: 150 C (300°F).
Máxima velocidad rotativa: 3,600 RPM.
Carga total máxima: 120 m (400 pies).
En los casos de bombas pequeñas para servicios auxiliares y/o intermitentes, con condiciones de operación por debajo de las indicadas anteriormente, se deben seleccionar como lo indica el punto 1.4.1.9 y deben cumplir como mínimo con los requisitos establecidos en los puntos 1.4.1.1, 1.4.11, 1.4.5.1, 1.4.1.7, 1.4.1.9 correspondientes a vida útil, materiales, rigidez de la flecha, sello mecánico, cojinetes y tubería auxiliar.
1.4.1. DISEÑO BÁSICO. 1.4.1.1 Las bombas consideradas en esta norma (incluyendo el equipo auxiliar) deben diseñarse y construirse para una vida útil de 20 años (excepto
partes
susceptibles
a
cambiarse
continuamente
por
mantenimiento) y por lo menos 3 años de operación ininterrumpida.
1.4.1.2 Las bombas accionadas por motores de velocidad constante, deben ser capaces de aumentar por lo menos en 5% su carga en condiciones nominales, instalándoles un nuevo impulsor de mayor tamaño o diferente diseño hidráulico.
1.4.1.3 No se aceptan bombas horizontales con impulsor montado en la misma flecha del accionador, con dos pasos en cantiliver o con un impulsor de doble succión en cantiliver.
1.4.1.4 Las unidades de bombeo pueden ser diseñadas con uno o varios pasos. Cuando la presión nominal de succión es mayor que cero o la presión diferencial es mayor que 345 kPa (50 lb/pulg2), la bomba debe diseñarse para minimizar la presión en la(s) caja(s) de estoperos, a menos que los requerimientos de balance axial indiquen otra cosa. (Esto puede lograrse con anillos en la parte trasera del impulsor o con un buje de garganta de claro cerrado con una línea de balance a la succión).
1.4.1.5 El proveedor, debe especificar en la hoja de datos la carga neta positiva de succión requerida (NPSHR) cuando la bomba se opera con agua, a una temperatura no mayor de 65 C (150°F), al flujo y velocidad nominales. No se debe aplicar ningún factor de reducción o corrección para hidrocarburos.
1.4.1.6 Las bombas deben diseñarse para operar continuamente a 105% de la velocidad nominal y operar brevemente, en condiciones de emergencia, hasta la velocidad de disparo del accionador.
1.4.1.7 Las bombas que manejan líquidos más viscosos que el agua, deben tener sus características corregidas de acuerdo con el estándar S-102 del Instituto de Hidráulica o su equivalente.
1.4.1.8 Se prefieren bombas cuyas curvas de comportamiento sean estables (con incremento continuo de carga hasta válvula cerrada) para todas las aplicaciones, pero esta condición es indispensable cuando se especifique operación en paralelo. En este caso, el incremento de carga a válvula cerrada para bombas de uno y dos pasos, debe ser preferentemente de 10% de la carga a flujo nominal. Este porcentaje puede reducirse en bombas multipasos (3 o más pasos) para evitar carga excesiva a válvula cerrada.
1.4.1.9 Las bombas deben tener una región de operación preferente en un rango de 70 al 120% del flujo de mayor eficiencia del impulsor suministrado. El flujo nominal debe estar en un rango del 85 al 105% del flujo de mayor eficiencia del impulsor. El punto de mayor eficiencia del impulsor suministrado se debe encontrar preferentemente entre los
puntos nominal y normal de operación. Para bombas con flujos menores a 0.227 m3/min (60 GPM), el flujo nominal debe estar en un rango del 75 al 110% del flujo de mayor eficiencia del impulsor suministrado. El nivel de ruido del equipo de bombeo debe ser máximo de 90 dB a un metro de distancia.
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA BOMBA CENTRIFUGA ESPECIFICACIONES DE DISEÑO Planta:
………………………………………………………………………fecha:
Diceñista
..
Nombre y detalle Nº : ……………………………………………………………………………………... Función:
..
Operación:
.
Numero de unidades requeridas: Uso regula:
………………………resera:
DATOS DE OPERACION Flujo normal (m3/H) …
flujo nominal (m3/H ) ……………………………...........
Tipo de succión:…………………………………………………………………………………………….. Tipo de impulsión:…………………………… Alturas máximas: ………………………………………. Tamaño del diámetro de descarga ………………………………………………………………………. DATOS DEL LÍQUIDO Tipo o nombre:
..
Presión de vapor . Densidad………………………………………………………………………………. Calor especifico…
Viscosidad…………………………………………………….
Estado de agregación …………………………………………………………………………………….. DATOS DE DISEÑO Tipo de bomba………………………………………rpm:
…………………………………………..
Tem. De bombeo nominal máxima …………….Temp. De bombeo nominal mínima ……………. Presión máxima de operación:
……………………………………………………………………….
Modelo de la bomba: …………………………………………………………………………………….. Clase de construcción l: ………………………………………………………………………………….. Diámetro nominal del succión (pulg) ……………… potencia nominal de descarga (pulg) Diámetro nominal del impulsor (pulg)… …………………………………………………………… Modelo del impulsor: ………………..rodamiento de empuje axial: …………………………………
PROBLEMA: De un tanque cerrado provisto de un respiradero a la atmósfera se desea bombear agua a 20 °C (68 °F), hacia una torre de absorción. El nivel de líquido en el tanque se encuentra a 7,0 m (19,7 pies) sobre el eje de la bomba, el caudal es de 20,0 m3/h (88 gpm). La conexión de entrada del agua en el tope de la torre se halla a 20,0 m (65,6 pies) sobre el nivel del eje de la bomba. La línea de succión consiste de tubería de acero estándar de 2" (5,08 cm) de diámetro nominal, No. de cédula 40S y 40,0 m (131,2 pies) de longitud, posee 4 codos estándar y una válvula de compuerta ("gate") abierta. La línea de descarga también es de acero estándar de 2" (5,08 cm) de diámetro nominal, No. de cédula 40S y 60,0 m (198,6 pies) de longitud, tiene 2 codos estándar, 2 T usadas como codo y una válvula de control, la presión manométrica en la torre de absorción es de 137,9 kPa (20 psig). Determinar: La columna total del sistema La potencia desarrollada por la bomba La (CSPN)
Solución 1. Datos 1.1 Tubería
Dnominal= 2 pulg. = 5,08 cm (50,8 mm) No. cédula = 40S (calibre) Ref. Tabla H del apéndice: Tubería de acero calibre 40 Dext. = 2,375 pulg. = 6,03 cm (60,3 mm) Espesor de la pared = 0,154 pulg. = 0,39cm (3,9 mm) Dint. = 2,067 pulg. = 5,25 cm (52,5 mm) Area de sección transversal = 0,02333 pies 2 = 2,168 x 10 -3 m2
1.2 Liquido a bombear: Agua a 20 °C
2. COLUMNA TOTAL De la Ecuación siguiente:
2.1 Lado de la succión Columna estática hes=7m Columna de presión Ps =101.3kPa (1 atm)
Columna de fricción
Entrada al sistema:
Q=20m3/h y D=5.25cm
Reemplazando valores se tiene: v=2.57m/s Tomando: D1/D2=α TABLA 1. Coeficiente para pérdidas por contracción repentina para flujo turbulento
K=0.47 Luego:
Tubería recta y accesorios: La pérdida de presión por fricción en la tubería recta y accesorios es función del factor de fricción de Fanning, y este a su vez es función del número de Reynolds
D=5.25x10-2 V=2.57m/s =103kg/m3 =10-3Pa.s
Reemplazando:
134925>4000 De la ecuación de P.K. Swamee y A.K. Jain
()
TABLA 2. Valores de aspereza superficial para varios Materiales
*( )+
Rugosidad relativa:
Luego: a) Tubería recta
Reemplazando valores:
b) Accesorios
accesorio Codos estándar Válvula de compuerta abierta Luego:
Ki 0.35 0.17
cantidad 4 1
2.2 Lado de la descarga Columna estática: hed=20m Columna de presión Ps=Pman+Patm
Columna de fricción:
Salida del sistema (ensanchamiento repentino)
tomando: D2/D1=
Usando:
TABLA 3. Coeficiente para pérdidas por ensanchamiento repentino para flujo turbulento.
V1=2.57m/s Luego:
;
K=0.96
Tubería recta y accesorios: El número de Reynolds es el mismo del lado de la succión por ser el mismo caudal y el mismo diámetro de tubería; así mismo, el factor de fricción de Fanning, es igual al de la succión por ser el material del tubo el mismo. Si hubiese variación de alguna de estas variables se deben calcular los nuevos valores. Luego: a) Tubería recta
Reemplazando valores:
b) Accesorios
accesorio Codos estándar T usada como L Luego:
Ki 0.35 1
cantidad 2 2
USANDO VALVULA DE CONTROL:
∑
Resistencia: 30% de
3. POTENCIA DESARROLLADA POR LA BOMBA O CABALLAJE DE LIQUIDO
4. (CSPN)d Columbna de succion positiva neta disponible
5. VELOCIDAD DE ROTACION
Caudal manipulado Q=20m3/h (88gpm) Columna total H=47.29 m =67.14lbf/in 2 Columa de succion neta disponible ( CSPN)d=0.62m=2.03ft
a) Usando: figura 1. con Q=88gpm y H=156.3 se usara una bomba con una velocidad rotacional de 3500RPM
Figura 1. Velocidad de rotacion como funcion de columna y caudal b) Usando la Fig. 2 para Q = 88 gpm y H = 156,9 debemos usar una bomba con una velocidad de rotación de 3550 RPM
Figura 1. Velocidad de rotacion como funcion de lka velocidad especifica c) Usando la Fig. 3, para una (CSPN)d = 0,62 m = 2,03 pies y Q = 88 gpm se debe usar una bomba a una velocidad de rotación de 1800 RPM
Figura 3. Velocidad de rotacion como funcion de la velocidad especifica de succion
6. EFICIENCIA DE LA BOMBA Caudal manipulado, Q = 88 gpm Columna total, H = 156.9 pies Velocidad de rotación, N = 3500 RPM Velocidad especifica:
√ Usando la figura 4:
Figura 4. Eficiencia de una bomba centrifuga Eficiencia:
7. POTENCIA SUMINISTRADA ( CONSUMO DE ENERGIA)
Potencia desarrollada, = 2.61 kW
Se selecciona una Bomba Centrífuga
Velocidad de rotación de la bomba = 3500 RPM
Eficiencia de la Bomba η = 55 % Potencia suministrada:
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA BOMBA CENTRIFUGA ESPECIFICACIONES DE DISEÑO Planta: planta de absorción de metano
fecha: 18/10/13
Diceñista: Chulluncuy Centeno, Javier M.; Lucas Rosales Jonathan J.; Toribio Huamani, Nidia Y. Nombre y detalle Nº : Bomba centrifuga G-120 Función: Bombea agua al tope de una torre de absorción de CH 4 Operación: continua Numero de unidades requeridas: Uso regula:
1
resera: 1
LIQUIDO MANIPULADO Composicion: agua pura Porcentaje de solidos: 0
Temperatura (°F): 68
Capacidad calculada ( gl/min): 88
Diseño:
Presion de vapor a (°F): 68
Pv (Psia): 48.81 lbf/ft
Viscosidad a (°F): 68
μ: 2.42 lbf/ft.h
Gravedad específica (°F): 68
Gs: 1
Columna Estatica Presión Friccion Total
succión 7 10.33 0.16
Descarga 20 24.39 0.31
Columna de diseño (ft): 10.94 CSPN disponible: 10.94 Presión de succión (Psia): 14.67 Descarga (Psia): 20 Potencia (HP) Caballaje del líquido: 3.5 Eficiencia de la bomba: 55% Caballaje de freno: 4.67
RPM: 3500
2
Total 27 34.72 0.47 62.19m
ANEXOS
Tabla No. 1.- Condiciones de diseño para sistemas de agua de enfriamiento
Tabla 2. Materiales para partes de bombas centrífugas.
