Tyler G. Hicks
BOMBAS SU SELECCION y APLICACION 1a IMPRESION
BOMBAS su
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APLICACION
POR
TYLER G, HICKS. BME 'l".ljÑ':1.\/. _:I'l
Editor de la Revista" Power" , de Proyectos' Especiales~ Instructor de Ingeniería Mecánica de la Cooper Union School o/ Engineering (División Vespertina) ; Miembro Asociado de la American Society 01 Mechanical Engin eers, American Society 01 R elrigerating EngiTleers y United States Naval Institute; Editor, ex oficio de la " Proce edings"de la Oil and Gas Power Div" A.SME; Autor de la "Plant Engineer's Easy Problem Solver" I
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CIA , EDITORIAL CONTINENTAL, S, A, DE C, V., MEXICO DISTRIB UIDORES:
ESPAf'lA-ARGENTINA-CHILE-VENEZUELA-COLOMBIA-PERU
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Bolivi a Brasil Costa Ric a Do minic a na Ecuador El Salv a dor Estad os Unidos - Guatemala - Honduras - Nicaragua - Panamá - , Paragua y Portugal - Puerto Rico - Uru gua y
TÍTULO ORll;¡x.AL EN INGLÉS:
PUMP SELECTION AND APPLICATION EOTcrÓN AUTORIZADA POR:
MCGRAW-HILL BOOK
COMPANY,INc. NEW YORK
TRADUCIDO POR:
{?l !J6i !J{;adre
ING. LIONRL DIGNOWITY
Vigc~ ill lapr im cl'a illrprc"ió ll
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Reservados todos los derechos. Ni todo el libro ni parte de él pueden ser reproducidos, archivados o transmitidos e n forma alguna mediante algún sistema electrónico, mecánico de fotorreproducción, memoria o cualquier otro, sin permiso por escrito del editor. _____o
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Derechos Reservados © en Lengua. EspaiioLa-.l960. Primera P"bLicacWn
COMPP.ÑiA EDITORIAL CONTINENTAL, S. A . DE C. V. CALZo DE TLALPAN NÚM . 4620, MÉXI CO 22, D. F. r-,'! IEMBRO DE LA CAMARA NACIONAL DE LA INDUSTRIA EDITORIAL Registro Núm. 43
IMPRESO EN MEXICO
PRINTED IN MEXI CO
PREFACIO Para muchos ingenieros la aplicación de bombas es un tema nebuloso, rodeado por una abundancia de información miscelánea que es difícil de relacionar con un problema dado. Aun cuando muchos fabricantes dedican una parte de sus catálogos a las fases técnicas de aplicación de bombas, rara vez tienen suficiente espacio para presentar más que una éabulación de datos adecuados y delinear un ejemplo típico para la elección de una bo~ . Esto es lamentable, debido a que el máximo problema con el que se encuentran muchos ingenieros hoy .en día es el de cómo elegir ·y aplicar la mejor bomba para una combinación dada de condiciones. Al exhibir tantas excelentes bombas disponibles y tanta literatura existente para cada una de ellas, el problema ' se hace casi prohibitivo. En plantas industriales grandes y municipalidades en donde se necesitan varios cientos de bombas para alimentar servicios de procesos domésticos y otros, un ingeniero puede pasarse años, literalmente, desarrollando sistemas económicos de bombeo.
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Este libro tiene pues, como objetivo, el de allanar el paso entre los simples datos y una instalación de bombeo completa . Cubre la totalidad del campo industrial , desde las pequeñas unidades que manejan un chorrillo de líquido a los gigantes que bombean cientos de miels de libioS por segundo. Está escrito para todos los ingenieros que tienen que tratar con bombas para plantas de fuerza, mecán icos, civiles, mineros, navales, de plantas industriales, de petróleo, sanita rios , consultores, industriales, de industrias alimenticias y de acondicionamiento de aire, así como para los mé1 estros y estudiantes técnicos. En él, encontrará el lector y usuario procedimientos detallados para analizar un problema de ' bombeo , para en.contrar la bomba comercial más adecuada para la aplicación y aplica!' la bomba a las condiciones correspondie ntes. Se pres~ntan numerosos ejemplos ilustrativos para estudio y como guías para resolver los problemas de bombeo que se presen-
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o PREFACIO
tan en la oficina y planta. Los ejemplos se han seleccionado para cubrir una amplia gama de aplicaciones de bombas. Cubren las industrias más usuales y representan ayudas muy útiles para todo ingeniero que deba seleccionar una bomba, confrontar la elecciión hecha por otra persona, valorizar una proposición, hacer un estudio económico de bombas nuevas o existentes o bien desarrollar cualquier otra clase de estudio de bombas. Puesto que es esencial un conocimiento de las clases y tipos de bombas en cualquier estudio o análisis, los tres primeros capítulos cubren brevemente las varias clases y tipos de bombas obtenibles hoy día. El énfasis en estos capitulos, está puesto sobre lo que puede esperaree de cada tipo: los detalles de construcción y diseño de bombas, se tocan sólo ligeramente debido a que existen otros textos excelentes sobre estos temas. Una vez clasificadas las herramientas, el texto se adelanta a los principales factores en selección de bombas: columna, capacidad, líquido manejado, tubería de ::,~cción y descarga, movimientos, adquisición de bombas y economía. Estos capítulos llenan el hueco entre un conocimiento general de la clase de bomba y los elementos cuantitativos de su aplicación. Con esta información, el lector está preparado para atacar los problemas de bombeo específicos en más de unas cuantas industrias: generación de fuerza, petróleo, energía nuclear, química, alimentación, papel, textiles, hule, suministro de agua, drenaje, eliminación de desperdicio, refrigeración, aire acondicionado, calefacci6~-irrigación, minería, marina, etc. De manera que en los 14 capítulos siguientes se le muestra qué bombas se aplican actualmente para resolver los .problemas peculiares de las industrias dadas. Las soluciones que se discuten relacionan hechos previos sobre clases y tipos, así como su s'elección, con la práctica presente. Las secciones son específicas: éstas indican al lector exactamente qué clase de bomba se usa con éxito para una aplicación dada. Las gener~lidades se han dejado aparte para obtener los datos exactos necesarios. Todo ingeniero que trata con bombas industriales -y prácticamente todos tienen que hacerlo en un tiempo u otro en sus carreras-, encontrará en este libro un poderoso auxi-
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liar para ir desde los datos elementales hasta una instalación de bombeo satisfactoria. Habrá de ahorrarle tiempo y reducir el desperdicio de energía y, más importante aún, le ·ayudará a obtener más por cada dólar empleado en bombeo. Eso, después de todo, es el objetivo habitual de cualquier estudio o análisis de bombeo. Para los estudiantes interesados en familiarizarse con el campo o prepararse para un examen profesional, los ejemplos ilustrativos serán de gran ayuda. El texto los agrupa de manera que dan un panorama completo de la industria de bombeo ar:tual. El autor, debido a su posición como editor de la revista Power, ha tenido la rara oportunidad de trabajar con 'a lgunas de las máximas autoridades de bombeo del mundo en la planeación, escritura y edición de artículos sobre su trabajo. Y ha aprovechado con ventaja la experiencia y conocimiento de estos hombres, incorporando muchos de ellos en los capítulos 4 a 10 de este libro. Específicamente, se siente en deuda con las siguientes personas , algunos de cuyos trabajos aparecieron en la revista Power en forma de artículo, y de los cuales algo se encuentra ahora incluido en uno o más de los capítulos indicados antes: Melvin Mann, Peerless Pump Division, Food Machinery and Chemical Corp.; E. M. Richman, Igor Karassik, A. M. Shaw, y Roy Carter, Worthington Corporation; Ed Condid, C. R. McFarland y Thomas Keating, De Laval Steam Turbine Co.; A. J. Stepanoff, A. Brkich y J . W. Conaghy, IngersolI-Rand Co.; Ross Nebolsine, Hydrotechnic Corp.; S. B. Roberts, Celanese Corporation of America; James E. Kerr, Bechtel Corp.; R. F. Schaub, Fred H. Schaub Engineering Co.; F. R. Forrest, Allis-Chalmers Mfg. Co.; E. Schwandt, Goulds Pumps, Ine.; Thomas Probst, Automatic Control Co., y algunos otros. El autor se encuentra también profundamente agradecido a los diversos fabri cantes cuyas ilustraciones aparecen en este libro. Sus nombres aparecen en hs pies correspondientes. Finalmente desea exp resa r su gratitud a Free! A. Annett, Editor Contribuyente, de la revista [' ollJer y decano de los escritores sobre- ingeniería ele hombas en Am érica, pOI' sus consejos y crítica valiosos. Las ilustraciones por las qu e se da crédito al Instituto de Hidráuli ca han sido reproducidas ya sea del "Standards of
10
PREFACIO
the Hydraulic Institute" (lOth ed., 1955) o del "Pipe Friction Manual" (Manual de Fricción en Tuberías), 1954. Ambos protegidos por "Copyright" y publicados por el Hydraulíc Institute, 122 East 42nd St., New York 17, N. Y.
CONTENIDO PÁG.
El autor agradecerá cualesquiera sugestiones de los usuarios de este libro en cuanto indiquen medios por los cuales pueda mejorarse. Siempre que sea posible, se incorporarán éstas en ediciones futuras.
PREFACIO
7
Parte 1:
e[ases
y Tipos de Bombas
BOMBAS CENTRÍFUGAS
TYLER
G.
19
Clases y Tipos-Características Generales-Acción de Bombeo-Curvas de Bombas y Sistemas-Aplicaciones-Diseños Normales - Impulso res, Ch uma ce ras, Cal:c-;s~~'S: Estoperos. Cubreflec has .
HICKS
2
BOMBAS ROTATORIAS
47
Tipos - Carac iel'Ísticas- Clasificación - Mate rial es - Aplicaciones.
3
BOMBAS RECIPROCANTES
57
Tipos-Caracte'l'ísticas - Extremos Líquidos - Extremos de Vapor -- Empaques - Válvula s - M étodos para Variac ición de Capacidad - Clasificación.
Parte 2: Selección de Bombas 4
: 1
COLUMNA DE UNA BOMBA
89
Términos y Definiciones-Curvas de Sistemas y s u usoFlujo D esviado-Punto de Operación-Desgaste de la Bombao-Velocidad Específica-Operación en Paralelo y en Seri e- Columna de Succión Positiva Neta-Reducción de Capacidad-Cavilación-Sifon ps-Es pecificación de la Columna dI) la Bomoa-Dernandas Nuevas o Futuras-Envej ecimi ento dI:' la Tubería. 5
C APACIDAD DE LA BOMBA . .
l33
U nidad es-Dete rminac ión d el Flujo Líquido-Estimacióll de las N eces idadl~s-Control dp Capacidad-- Va ri acio nes de Demanda- E lección d e Capacidad-Sistemas EshanguladosColumna Decreciente-Conexión d e la Tuberia-División de Carga-Sistemas no Estrangulados-Elección de BombaFlujo Correc to-Elevación d e Temperatura.
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G
LÍQlJ IDO MANEJADO Liquic1o~
Viscosos-Vis('osidad-Flujo La minar-Flujo Turbul e nlo-Cornb in ac iorws d(, Viscos idad-P¿'rd id as (' n ' Acct' sorius-Curn'l'Ciuné's d e Op(:'ració n-Trazo d e Caraeler'í sticas -;-·A i n~ (1 Cas Conle nido- Liquidos Vo lftt.iles-Presiún de Va-
l7 .1
CON TENID O
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CO NTENIDO
PÁG.
PÁG .
Bombas de Fugas Controladas-Bombas Electromag néticasDiseños Especia les-Selección de Bombas.
por-Químicos-Consideraciones Especiales-Sólidos en Suspensión-Notas Sobre Bombeo-Líquidos de Sellado para la Caja de Empaque. 7
SISTEMAS DE TUBERÍA
13 209
MOTORES PARA BOMBAS I NDUSTRIALES
263
Motores Eléctricos-Características de Carga-Motores de CA-Motores de CD-Auxiliares Integ ra les -Requisitos del Par-Transmisiones Fluidas-Turbinas de Va por-Gobernadores- Gastos de Vapor-Máqu inas de Vapo r -Máqu inas de Comb ustión Int.e rna-Líneas de Tube rí a- Control el e Avenidas-I rri gación-Dre na je-Protección Cont.ra Incendi osMarinafi-No rm as de Clasificación-Máq uinas ele Gasolina -Turbinas de Gas. SELECCIÓN DE BOMBAS
ECONOMÍA DE LOS DI SEÑOS DE BOMBEO
14
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287 16
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!\ l' LI C A C IO:-J I~S P.N EN I,R(;í" N llC LEAlI
Programa A EC~Co ndi c iont, S de Sp.r·v icio-Bomba de Moto r el" Molur Sume rgido-Bomha r1,.' Mot.o r "1) !\Im()" r, 'ra el e gas- Bomha el e Mot.o r e n 8;¡ño de Af'f!iter~ nlaf.Hd(¡-Bomha
PAPEL. TEXTILES y HULE
401
PROCESO y MANE.TO DE ALIMENTOS
415
333
18
358
SUMIN ISTROS DE AGUA .... , . . , . . . . . .
427
Fuentes de Agua de Superficie-Pozos Profundos-Bombas de M oto r Sum ergibles-Bombas Turbinas-Bombas de Eyector-Bom bas de Rotor H elicoidal-B ombas R eci procantesFuentes de Agua de Superficie-Bombas de Impulso r-Bombas de Aplicación Gen era l-Suministros de Agua Municipales- Suministro de Agua para Edificios- Consumos de Agua - Albercas-Campos ele Golf, Parques, Ae ropuertos-Protección Contr·a Incendio-Bombas Auxiliares-Bombas P ortátiles- Tratamiento de A&ua-Dis tribución y Almacena mie nto de Agua.
305
P lantas de Fuerza de Vapor-Ali me ntac ión de Calde rasCirc ul ac ión de Ca ld e ras-Bom bas de Co ndensado-Bombas df! Agua de Cin': IJl ación-Bom has de Ace ite Comb ust.ibleOtras Bombas de P la ntas de Vapor-Plantas de Máq uinas de Com llll st.ión fnf.e rna-P la nt.as Hidrá uli cas, J:¿
383
Bom bas Sanit.arias -B om ba s Centrífu gas-Cervecerías y Destile rías-Bombas R eciprocantes-Bombas de Tubo F lexible-Bombas R otatorias-Selección de Bombas.
Parte 8,' Aplicación de Bombas SERV ICIOS PARA PLANTAS IJE FUERZA
INDUSTRIAS Q UÍMICAS
T ipos de Bomba-Selección de Bom ba-M anufacturas T ex tiles-Ap li caciones de Bombas-Proceso y M a nu factu ra del Hule.
Comparac ión de Diferentes Sistemas-Estimaciones Prelimina res de Costos- Mod er ni zación de Ins talaciones Existent.es-Ot.ro Eq uipo. -- -
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367
Bombas Químicas-Bombas de Proceso-Se rvicios de Alta Presión-Bombas de Cero Fuga-Bombas de Ácidos y Lodos-Bombas de M etales Fundidos-Bombas Agitadoras y de Sólidos -Bombas Rotatorias - Bombas R eciprocantes Selección de Bombas-Bombas de Cristal.
M étodos de Selección-Proposiciones-Cálculos-Demanda de Potencia-Cambio de Características-Copies FlexiblesVelocid ad Es pecífica-Columna de Succión Positiva NetaBomb as Horizontales Contra Verticales -Succción Simple Con tra S ucción Doble-Empaque Contra . Sellos M ecánicos -Defl ex ión de F lecha-Capaci dad es Típicas-Nota s Sobre Diseño. 10
I NDUSTRIA PETROLERA
Perforación-Producción-Sistemas de Varilla de SucciónBombeo Hidráulico-Bombas Sumergibl es-Bombas Po rtátiles -Transportación-Bombas de Tubería-Estaciones de Carga en Bruto-Suministro de Combustible a Aviones-Estaciones de Bombeo-Refin ería-Bombas Especiales-Inundación de Agua-Torres Marinas-Bombas sin Cajas de Empaque.
Tubería de Succión-Diseño de la Entrada-Dimensiones de la Tubería-Velocidad del Líquido-Entradas de Río-Rejillas-Prob lemas de Peces-Áreas de Mareas-Cebado de la Bomba-Tubería de Descarga-Ruido, Vibración-Velocidad Reducida-Disposición de 1a Tube ría-Ciclo Mix- temp-Tubería Aux iliar- Ariete. 8
13
SERVICIOS DE ATAR.TEAS y SUMIDEROS
Bombas Gra ndes- Bombas Inatascables-Pozos Secos y Mo jados-Bombas de f umidero-Bombas d (~ Sumid ero Por tátiles -Esta ciones S'lbterráneas-Rec up erac ión de Escamas de M olino-Bombas ele Lodos~ E .Yectores Ne~á ticos - Bombas de R eci rcula ción-Bomba3 de M edición y Proporción- Selección ele Bombas.
<14 5
CONTENIDO
l4
PÁG . 19
ACONDICIONAMIENTO DE AIRE y CALEFACCIÓN
459
Suministro de Agua-Usos de las Bombas-Circulación de Lavado de Aire-Bombas de Agua Helada- Bombas de Agua de Condensación-Refrigeración-Condensadores de Evaporación-Bombas de Salmuera-Bombas de RefrigerantesTorres y Depósitos de Enfriamiento-Calefacción de Edificios-Grupos de Condensación-Bombas de Calentamiento de Vacío- Agua de Alta Temperatura. 20
IlmIGAC¡ÓN y CONTROL DE A VENIDAS .. ,.
473
Tipos de Irrigación-Bombas Portátiles-Turbinas Verticales -Sumergibles-De Impulsor-De Acequia-Aguas de Descarga.-De Dique -S(; I(!cción de Bombas-Bombas de Dre naje--Control de Avenidas-Drenaje de Agua de Tormenta . 21
BOMBAS SU SELECCION y 485
MINEllÍA y CONSTIWC:CIÓN
Minería Met.álica y no Metálica-Pozos de Grava-Canteras-Bombas Centrífugas-Bombas Revestidas de HuleBombas para Manejar Sólidos-Bombas de Lodos-Bombas Turbinas Verticales-Bombas Horizontales-Lavado de Carbón-Bombas Rotatorias-Bombas Reciprocantes-Selección de Bombas-Industrias de Construcción-Bombas de Cámara-Bombas de Chorro-Desagüe-Construcción de Carreteras .
:n
497
SEIlVI CIOS MAIlINOS
Alimentación de Caldera-Balasto - Desperdicio - Bulterwurth--Salm uer
BOM!lAS I NDUSTRIALES ,
HIDnAULICAS
y DE VACÍO
513
Sistem as Hidrá ulicos-Bombas-Tipos de Pistón-Gasto Variabl e- Bombas de Potencia- Bombas Rotatorias - Supe r Cargador ~s -Bomb as Centrífugas-Bombas Movidas por Ai reo- Bombas de Refrige rant e-Fluidos Hidrá uli cos-Acumu ladores---Si,:temas Industrial es de Vacío-Bombas do Pistón Líquido-Bombas Clínicas-Bombas de Vacío de Chorro de Va [JoJ'- Scd ección de Bombas. ~4
F' IJ.:IWO . A CEIW y OTIlAS INU lJSTRIAS
Uso d" Agua -- Df!Scasc:arad o - Proceso de Ga ~ N a turalPlás( icos- I'í'J'iúdic(J-:- Fa bric:aci ón d e Pint I.l ra~- Cosméticos A utomóviJ es-- Elecl.rónica-Tea bajo de Metales.
525
APLICACION
PRIMERA PARTE CLASES Y TIPOS DE BOMBAS
C~pfTULO
1
BOMBAS CENTRíFUGAS 'Q:as bombas se clasifican según dos cOilsideraciones generales diferentes : (1) la que toma en ¡consideración las características de movimiento de líquidos y. (2) la que se basa en t e! tipo o aplicación específica para Íos cuales se ha diseñado la bomb ~~ El uso de estos dos métodos de clasificación de bombas causa gran confusión entre los principiantes y aún en tre los veteranos. ,. ';-
TIPO
CLASE
Voluta Un ,solo paso Difusor Pasos múltiples Turbina regenerativa Centrífuga Turbina vertical Fluj o mixto Flujo axial (impulsor) , Engrane Alabe Rotatoria Leva y pistón Tornillo Lóbulo Bloque de vaivén _{ Simple {'ACCión directa } Duplex P otencia (incluyendo Triplex _ R eciprocante manivela y volante . Quádruplex Diafragma Quíntuplex Rotatoria-pistón Etc. FIG.
1-1.
Tipos y clases de bombas modernas,
Clases y Tipos. La Pig.l-l tiene por objeto el aclarar mucho del mist erio que circunda a los tipos y c;lases de bombas. Se le podría llamar un mapa del mundo de las bombas. Basándonos en las clasificaciones normales usadas más fre-
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
20
cuentemente, incorpora una buena cantidad de datos útiles en la selección y aplica\:ión de bombas. Hay tres clases de bombas en uso común al presente: c~ntrítuga , rotatoria y reciprocante. Nótese que estos térmi. nos se aplican solamente a la mecánica de movimientc de lío quid~)y n0 al servicio para el que se ha diseñado una bomba. Esto es importante porque muchas bombas se const.ruyen y venden para un servicio específico y, en el complejo problema de elegir la que tenga mejores detalles de diseño pueden pero derse de vista los problemas básicos de clase y tipo. Cada cla· se se divide a s~ v,ez en número de tipos diferentes (Fig. 1.. 1). Por eje~~lo~ajo la clasificación de rotatorias se en· cuentra las de leva, tornillo, engranes y álabes,' para mencio· nar unas cuantas. Cada una es un tipo particdlar de bomba rotatoria. Viendo más allá, demos un vistazo a la bomba de aceite combustible tan extensamente usada al presente. Es'. un tipo rotatorio de tres tomillos, que se presenta con rotores hechos de diferentes materiales y con cuatro dispositivos para balancear el empuje axial.
r
un
Detalles. Los últimos dos puntos mencionados en la descripción anterior son detalles en aplicación de bombas, los primeros dos son claves para la clasificación de la unidad. El Instituto Hidráulico de Estados Unidos, recomienda que la clasificación normal se considere como aplicada solamente al tipo, dejando al constru~tor el uso de los detalles que haya desarrollado y normalizado para ese tipo de bombas. Así , para seleccionar una bomba es generalmente necesario comparar, detalle por detalle, varias marcas. La clasificación de l~ Fig. 1-1 es entonces muy útil. ..'~.. El Instituto Hidráulico, en sus últimas normas (1955), clasifica las bombas ceniciiU.@§icomo (1) centrífugas o flujo radial , (2) flujo mixto, (3) flujo axial. Éstas se subdividen ' a su vez según el número de pasos simples o múltiples¡.¡;tipo de carcasa: espiral, circular o difusor; posición de la flecha: horizontal, vertical (del tipo de pozo seco o sumergida); succión: sencilla o doble. ~() Con respecto aij,os materiales de construcción, el Instituto Hidrá ulico usa T~ desi gn~ciohes ;¡g~li'eñtes: '~l) con aditamentos de bronce, (2) toda de bronr.e, (3) bronce de composición específica, (4) toda de fierro, (5) con aditamentos de acero inoxidable, (6) toda de acero inoxidable:.J
BOMBAS
CENTRÍFUGAS
21
Las .J2Q...rnbª!L!;on?ditamentos de bronce tienen una carcasa de hierro vaciad¿-,impulsor-d~' 'b';~~~;"'y- anillos impulsores y cubre flechas de bronce, si se usan. En una bomba toda de bronce, cada parte que se encuentre en contacto con el líquido está hecha con el bronce normal del fabricante. Lo mismo se aplica a la designación (3) excepto que las partes están hechas de una composición de bronce adecuada a la aplicación de la bomba . .Lmd.lmJ..ll>_M-.t.Qdas._de-1i.er.ro~tienen las partes de metal ferroso en contacto con el líquido que se está bombeando. En una Q!LlIl.9A.,.&'Qo.. ;uiitame.ntQ.s._.de_aGeIQ inoxidal:~.L~. la carcasa está hecha de un material adecuado a'l en tanto qu~ los impulsores, anillos y cubre flechas, si se usan, están hechos de un acero resistente a la corrosión adecuado para el líq~ido que se maneja. En una..homba .toda ~~o...es.trJJ.~t.!:l~~J, las pa,rtes en contacto con el líquido está~' hechas de acero resistente a la corrosión y adecuado a la aplicación, en tanto que la flecha está hecha de un acero resistente a la corrosión, de grado igual a las otras partes de la bomba. Ver Cap. 6 para una discusión más extensa de los materiales de bombas. Características Generales. La siguiente consideración es una exposición general de las características habituales para una clase dada de bomba. La Tabla 1-1 hace precisamente esto. Por ejemplo, ' para encontrar una bomba para mane· jar capacidades relativamrnte pequeñas de líquid'os claros y .' limpios con una columna alta, hay que remitirse a la tabla. En cualquier problema de este tipo, hay que recordar que la colum,n,a .qe succión no debe exceder el límite máximo reco.mendado?íLa ~.~l?a::!_dac!. en li tros..l'~.~~!:_u t~J IEn.:.L__ª_~~r ml~.~_~L~.~~~Q.2_.Q~TaJiº-m.blLy". af~~.~a.Ja elección de la clase
¿mIcra:
qe ..~~1~~.
en la construcción de la bomba,'¡ Naturalmente, la columna es también un factor primordial. La Tabla 1-1 indica que una bomba de movimiento alterno es adecuada para las condiciones generales de pequeña capa- ¡ t) cidad, alta columna y líquido limpio y claro. Lueg'o/(~.hmen":.. " a.iend.~..Qe la.~. 1:e ~es id~ges, py~de.. ta:nbién elegirse una oomha de _tiRQ_,de. J?Ístón o émbolo, de aCclóñdirect~ d,e_'man iv'eiá o d.e" p.otencia'.--Püede ser s¡'~p¡e,-doT)re;-tripl~' o "ten;-"un'-ñ¿m~!.Q...maYor ae cilindros .)\ " .. - .. . ' , _ . . . . ..-. Unav~z ' que Eiiñdefinido estos puntos , hay que estudiar los detalles de la válvula de la bomba, materiales de
se
22
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
BOMBAS
23
CENTRíFUGAS
I
Tabla 1··1.
Características de las Bombas Modernas
_.Tornillo
Voluta Flujo axial
engrane
Vapor de acción directa
Doble acc ión
Conti·
nuo
Continuo
Continuo
Pulsan te
Pulsan!e
Pulsante
4.5
4.5
6.60
6.60
6.60
6.60
y
¡ ~ Tipo de descarga M áxi nuJ. elcvuci ó n normal oe f:jUC~ ción, en m t5, Líquidos que maneja
Difusor
Linlpio, c1~HO ; suciu abrasivo' tí-
qui~io s c~n ~ lto contenido ti c sólidos
Vn riac itJn d e la presión de desca rga
Hcgión de capacidad habitual Cómo una colum na aumentada
y
Triplex
Cuando dos o más unidades pueden satisfacer las necesidades hidráulicas, el estudio puede avanzar un paso más para determinar cuál e~ la mejor bomba para la instalación. La plan ta puede req:uer¡l'-ü'nlJa}o'costo--ififciar parala-·ü·ñldii.·a, larga vida, o bien , máxima economía de op-eracl¿iñ~-' Normar mente, estas condléiori'es---'ñü--'se -enClientrari simultáneamente, de manera que debe decidirse cuál es la más importante para la instalación que se está considerando. ACCION DE BOMBA CENTRíFUGA
Lilnpio y claro
Viscoso no abrasivo
Baja a alta
Media
Pequeüa a la mayor. obtenible
PL,
Di sminuye
Nada Aurncuta
Bombas de Tipo Voluta. Aquí (Fig. 1-2) el impulsor descarga en una caja espiral que se expande progresivamente, proporcionada en tal forma que la velocidad del líquido se reduce en forma gradual. Por este medio, parte de la energía de velocidad del líquido se convierte en presión estática.
Pequeña a
la rnáxi.ma que se produce . Relativamen te pequeña
a fecta:
CapaciuHu Potencia d e en tra· da
Cómo af~cta una column a dismi· nuida: Capilc idad Demanda teneie:
de
Depende de la ve· lo"iJad es pec ífica
AtUllenta
Nada
Disminuye AUlllcnta
AunlCnt~
N ada Aluncnta
PequeJ10
Nada
Nada
Disnünuye
Disminuye
Nad a
UW11ento
po. Depende de b ve· locidad es pecífica
Disminuye
Disminuye
construcción , motor, etc. En general, se encontrará que los detalles de la bomba se encuentran sujetos en gran parte a los requisitos de apl icación, así, el arreglo particular de una ' 0;?rrD~'1....cen ~Q!..~ga puede depender tanto de la tubería, espaci o y ca n d i c¡on es--ae--lrao·a}o-éomo. ··ae-·olros··Jacfo"fes -exí"s'féñ·: tes.-Tr!Ti(;tci¡:··ereg-illo ' ¡-JarEí-rél-'TJOrñIla' j)ued-e--estacde terml"ñaao por la ~'1Q:éidactA_~ la bomba, balance de calor de la planta, d"i spÓmbilidad de ener'g üro-'cós to de- un c:ürribüstible particü. 1.at..1ill:::e.tKt?~a-:-·P-eYocomo·ñ t; ev ~ ~-en te -es tos sorid e ta llesq ti e hagrán de decidirse desnués de encontrar una bomba ade-
~:~ad~ -:·ª:J~~<;--C"5TiaiCiOiies':ñ·iªraüIEi§.·-g~e-· aehen·-s·atísfa-cer:~;.
y
la clave -p-¡lra -6ote-ñér'-r~s -req'uisitos hlcrrauíTc~~- ~s---ertií;~ y clase adecuados de la bomba.
FIG. 1-2. La voluta de la bomba convierte la energía de la velocidad del líquido en presión estática.
FrG. 1-3. El difusor cambia la dirección del flujo y contribuy e a convertir la velocidad en presión.
Bombas de Tipo Difusor. Los álabes direccionales estacionarios (Fig. 1-3) rodean al rotor o impulsor en una bomba del tipo de difusor. Esos pasajes con expansión gradual cambian la 'dirección del flujo del líquido y convierten la energía de velocidad a columna de presión . Bombas de Tipo Turbina. También se conocen como bombas de vórtice, periféricas y regenerativas ; en este tipo se producen remolinos en el líquido por medio de los álabes a velocidades muy altas dentro del canal anular en el que gira el impulsor. El líquido va recibiendo impulsos de energía (Fig.
BOMBAS
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25
CENTRíFUGAS
' BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
1-4). Las bombas del tipo difusor de pozo profundo, se llaman frecuentemente bombas turbinas. Sin embargo, no se asemejan a la bomba turbina regenerativa en ninguna forma y no deben confundirse con "ella.
FIG. 1·4, L a bomba turbina aumen· ta la en ergía del líquido con impul· sos sucesIvos.
FIG, 1·.5. Las bombas de, flujo mixto u san tanto la fu e rza ceno trífuga como el impulso de los álabes sobre el líquido.
Velocidad Específica:. Éste es un índice del tipo de bomba, que usa la capacidad de columna que se obtiene en el punto de eficiencia máxima. Determina el perfil o forma general del impulsor. En números, la velocidad espeCífica es la velocidad, en revoluciones por minuto a la cual un impulsor deberá girar si su tamaño se reduce para dar un gasto de un litro por segundo contra una columna de un metro. Los impulsores para columnas altas tienen generalmente una velocidad específica baja. Los impulsores para columnas reducidas tienen generalmente una velocidad específica alta. Según lo indica la Fig. 1-7, cada diseño de impulsor tiene una región de velocidad específica para la cual está mejor adaptado. Estas regiones son aproximadas, sin divisiones bien definidas entre ellas. La Fig. 1-7 da las relaciones g,~ n erales entre la forma de impulsor eficiencia y capacidad. Las limitaciones de succión para las diferentes bombas están relacionadas con la velocidad específica. Éstas se discu tirán después, para las diversas condiciones de operación, 0,2
90
Tipos de Flujo Mixto y de Flujo Axial. Las bombas de flujo mixto desarrollan su columna parcialmente por fuerza centrífuga y parcialmente por el impulsor de los álabes sobre el líquido (Fig. 1-5). El diámetro de descarga de los impulsores es mayor que el de entrada. Las bombas de flujo axial desarrollan su columna por la acción de impulso o ele-
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Una bomba d e impulsor d esarrolla la mayor parte ele su columna por la acción d e l á lahe sobre e l líquido.
vacJOn de las paletas sobre el líquido (Fig. 1-6) . El diámetro del impulsor es el mismo en el lado de succión y en el de descarga. Una bomba de impulsor es un tipo de bomba de flujo axial.
Cen t.rifu ga
F luj o Mixto
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FIG, 1-7. Relación ap roximada e nt.re ve locidad ('sppcífica , forma de impulsor y eficiencia. (Cort esía de Worlhington Corp.) ,
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26
BOMBAS - S U SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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27
CENTRíFUGAS
mo en la Fig. 1-8. Pero en casos especiales es posible señalar en las gráficas tres variables cualesquiera contra una cuarta. La curva de capacidad dp. columna, conocida como HQ (Fig . .1-8) , muestra la relación entre la capacidad de columna total, y puede ser creciente, decreciente, con gran inclina. ción o casi horizontal, dependiendo del tipo de impulsor usado y de su diseño. En A en la Fig. 1-8 la columna desarrollada
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BOMBAS
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144
Curvas características típicas para una bomba centÍ'ífuga _
CURVAS DE SISTEMAS Y BOMBAS Curvas Características. A diferencia de las bombas de desplazamiento positivo (rotatorias y reciprocantes) , una bomba centrífuga que se opera a velocidad constante puede suministrar cualquier capacidad de cero a un máximo, dependiendo de la columna, diseño y succión. Las curvas características (Fig. 1-8) muestran la relación existente entre colum-
2000 /800 H
/600 /4 00
o FIG.
1-9.
Curvas co lumna-capacidad para distintas velocidades,
na de bomba, ca pacidad, potencia y eficiencia para un diámetro de im pulsor específico y para un tamaño determinado de ca rcasa , Es hab itual dibujar la columna, potencia y eficiencia en función de la ca pacidad a velocidad constante, co-
Capac idacl l ps
Fre:. 1-10,
Características de una bomba para difE,rentes di á me tros del impulsor d entro de la misma cubie rta.
por la bomba es de 4:3 .80 m de líquido, capacidad de 67 Ips A 36.50 m de columna B la capacidad de la bomba sube a 93.8 lps. Velocidades Variables. Cuando una bomba se opera a varias velocidades, puede dibujarse una gráfica (Fig. 1-9) que muestre el comportamierito completo para una elevación de succión dada. Para formar este tipo de gráfica, las curvas HQ se t razan pa ra las diferentes velocidades q ue se conside ran. Luego se sobreponen las curvas qu ~ tienen la misma efici ~~ cia . Estas curvas de efi cie ncia constante, lla madas tambren curvas de isoeficiencia permiten encontra r la velocidad requ erid a y la efic iencia para cualesquiera condiciones de columna capacid ad dentro de los límites de la gráfica. Diámet ro del Impulsor. El primer grupo de curvas cara cterísticas (Fig. 1-8) muestra el comportamiento de la
28
BOMBAS
BOMBAS - S U SELECCI ÓN Y API.I CACIÓN :.:::
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C ENTRíFUGAS
29
bomba para un diámetro de impulsor específico, generalmente el diámetro máximo. Sin embargo, habitualmen t e pueden usarse varios· diámet ros en una cubierta dada: Las curvas de la Fig. 1-10 muestran el comportamiento de una bomba con impulsores de varios diámetros. La línea gruesa en la Fig. 1-10 encierra el área de aplicación práctica para este diseño particular. Sin embargo, cuando se tiene a la mano una línea completa de bombas de un disefío determinado, el área fuera de la línea gruesa está generalmente cubierta por otros tamafíos. Así, puede usarse una gráfica (Fig. 1-11) llamada gráfica de características compuestas para dar una idea completa de la columna y capacidad obtenibles cuando se usa una línea determinada. Es práctica común el referirse a una línea de bombas por número de figura o modelo. La línea gruesa en la Fig. 1-11 señala el tamaño de la bomba de la Fig. 1-10. Aun cuando las bombas centrífugas pueden seleccionarse y generalmente se seleccionan de tablas de clasificación (Tabla 1-2, formada por la elección de ciertos puntos de las curvas características), las curvas de comportamiento dan una imagen mucho más clara de las características de la unidad a una velocidad dada. Las curvas de eficiencia generalmente se eliminan de una gráfíca de características compuestas (Fig. 1-11) debido a que es difícil el trazarlas. Sin embargo, para objetivos de selección fácil, tales gráficas proporcionan los datos normalmente requeridos--capacidad, columna , tamaño de la bomba y hp del motor. Una vez que se ha elegido el tamaño de la bomba , puede usarse como referencia una curva como la mostradaa en la Fig. 1-10 para el diámetro del impulsor, eficiencia y otros detalles. Nótese que las curvas de la Fig. 1-8 hasta la 1-11 son generales y se aplican solamente a una bomba particular o línea de bombas. Cada diseño tiene sus propias curvas características las que pueden o no asemejarse a las mostradas. Las curvas características para un gran número de tipos diferentes de bombas centrífugas se discuten en las partes Dos y Tres de este libro. Curvas de Columna de Sistema. Éstas (Fig. 1-1 2) se obtienen combinando la curva de columna de fricción del sistema con la columna estática del sistema y las diferencias de presiones que puedan existir. Una curva de columna de fricción , es un3. Ct1.rva de la relación entre el flujo y la fri cción
BOMBAS
30
CENTRíFUGAS
31
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
CLASIFICACIóN SEGÚN APLICACION en los tubos, válvulas y accesorios de las líneas de succión y descarga. Puesto que la columna de fricción varía aproximadamente en forma proporcional al cuadrado del flujo, la curva es generalmente parabólica. La columna estática es la diferencia en elevación entre los niveles líquidos de la succión y la descarga. Tabla 1·2
Tabla Típica d e Características de Bombas Centrífugas. Columna total , en metros
Tamaño lps
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1 060-1.0 1150-1.5 1 290-2.1
1 150-1.2 1 240-1.7 1360-2.4
950-1
1. 100-1.5 1 170-2
1 170-1.9
1 030-1.2 1 100-1.7 1 190-2.3
2C:
6.3 9.4
12.6 3eS: 9.4
750-0.53
12.6 15.8 Hl.9
850-0.78 950- 1.1
1 OlO-1.4
1260-2.6 1400-3.5
aCL: 12.6 18.9 25.2 31.5 4C: 25.2 37.8
690-0 .63 870-1.2
800-0.95 950-1.6
910-1.3 1 000-1.9 1200-3.1
1010-1.6 1 100-2.4 1 230-3.7
1 110-2.05 1 170-2.8 1290-4.1 1490-5.8
750-1.3
850-1.8
940-2.4 1080-4
1040-3 1 170-4.6
1 120-3.7 1 210-5 .5 1 400-8.4
DISEÑOS NORMALES TíPICOS DE BOMBAS
50. 5 J
1/4D: 1.6 3.15 4.73 6.3 7.9
üI7-0.21 680-0.37
707-0.03 760-0.49 856-0.78
820-0.93
850-1.1 970-1.8
778-0.40 865-0.63 916-0 .94
845-0 .51 900-0.76 980-1.1
9.4
2DL: 9.4 12.()
r
Anteriormente se ha visto cómo se clasifican las bombas modernas. Puede ahora considerarse con mayor detenimiento otro método muy usado de clasificación-la aplicación específica paTa la que se ha diseñado y construido la bomba. Aplicación. Aun cuando no todas las bombas centrífugas están clasificadas por un nombre genérico que designa su aplicación final, un gran número de ellas incluyen este término relacionado con su servicio. Así, las bombas centrífuga s pueden llamarse de alimentación de caldera, de propósito general, de sumidero, pozo profundo, de refinería (petróleo caliente)., condensadas, de vacío (calefacción) de proceso, drenaje, desperdicios, circulación, cenizas, agua de retroceso, etc. En general, cada una tiene características específicas de diseño, así como los materiales que el constructor recomienda para el servicio particular. Hay aún otra subdivisión basada en las características estructurales y generales; tales como unidades horizontales y verticales, diseños de acoplamiento directo, impulsores de succión simple y doble, carcasas divididas horizontalmente , carcasas de barril, etc. La evaluación correcta de todas estas variaciones es una de las tareas principales ~m la selección de una bomba para una aplicación dada.
930-1.35 1040-2.1
990-1.6 1 080-2.3
15.8
18.9 Ejemplo : 1080-4 indica que la ve locid ad de la bomba es 1080 rpm potencia req u e rida para operar la bomba es d e 4 hp., • Condensado de datos de Goulds Pumps, ¡ne.
Los diseños normales para servicios específicos facilitan la selección de bomba porque muchos de los problemas usuales han sido ya resueltos por el fabricante. Sin embargo, esto n.o I'eleva al diseñador del sistema de bombeo de la responsabilidad de comprobar un diseño dado en función de su aplicación . Tampoco elimina la necesidad .d e un análisis económico cuando puede usarse más de una unidad para cubrir un determinado grupo de condiciones. Bombas de Propósito General. Éstas (Fig. 1-13) están construídas generalmente pa.ra manejar líquidos frescos y limpios a temperaturas ambiente o ínocleradas. Generalmente de un soio paso, estas unidades pueden ser de carcasa dividi· da y aditamen tos normales ; igualmente buenas para un gran número de servicios. Algunas son de varios impulsores, mien-
llOMBAS - SU SELECCIÓN Y APUCACIÓN
BOMBAS
CENTRíF U GAS
33
FIG. 1- 15. Bomba de pasos múltiples de succión simple con impulsor es opuestos para servicio pesado . (Cortesía de Pennsyluania Pump and Compressor Co .) .
F'IG. 1-1 :3.
!:lomba d e p .opósito ge ne ral de un so lo paso con carcnsa Pe erle.~ Pu. mp Divi.sion , Food Machine,-y anrl Chemical Corp.).
h o ri zo n talm e nte dividid a. (Cort esía de
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FIG .1 -16. Bomba directamente acoplada para productos químicos sin sell o, a prueba de escap es. (Co rt esía de Chempu.mp Corp.).
r' .
FIe; . 1- 14.
Bomba h ()r i zo ntalm E' n (~ div idid a cj¡, dos p a~ () s co n impul so res ojl U(.,stos. ( Co r tes ía d e 11'orlhú¡¡.: to n Corp .) .
tras que otras manejan líquidos que contienen sólidos en suspem:ión. Bomhas Múltiples. Las unidades horizontales de este diseño (Figs. 1-14 y 1-15) están construidas con carcasa ya
34
BOMBAS
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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FIG . 1-17.
CENTRíFUGAS
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Bomba inatascable con impulsor de dos álabes. (Cortesía de EcoTlomy Pumps, ¡TIc.)
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FIG . 1-18. Bomba centrífuga contra incendios, de un solo paso, eompleta, con motor y accesorios. (Cortesía de Allis-Chal.mers Mfg. Ca.)
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FIG. 1-17a.
Bomba turbina horizontal regenerativa d e un solo paso . (Cortesía de Roth E. Roth Co.)
sea del tipo barril o del tipo horizontalmente dividido. La carcasa tipo barril se usa más comúnmente en diseños de alta presión con cuatro o más pasos, mientras que la carcasa dividida se usa para presiones que varían desde bajas hasta moderadamente altas con cualquier número de pasos.
FIG .
1-19.
Impulsor de tipo cerrado no sobrecargable para una bomba d e vacío. (Cortesía de Economy Pumps, ln c.)
36
BOM BAS
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
CENTRÍFUGAS
37
construcción removible para la fácil limpieza de la unidad una vez instalada. Bombas Contra Incendios. Las bombas centrifugas para combatir el fuego (Fig. 1-18) se aplican ahora más exten-
Bombas Acopladas Directamente. Éstas combinan la bomba y su motor en una sola unidad, proporcionando una bomba compacta, maciza y eficiente. Un diseño especializado (Fig. 1-16) no contiene sellos ni estoperos, y no necesita lubricante. Está diseñada para manejar una gran variedad de líquidos químicos.
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FIG. 1-20. FIG. 1-21.
Bomba de ' un solo paso para servIcIOs de agua caliente. (Cortesía de Bell and Gossett Co.) Bomba vertical de sumidero, de un solo paso, con impulsor s~mj-abjerto . (Cortesía de Th e Deming Ca.)
Bombas Inatascables. Pueden o no tener impulsores de paleta, y estas unidades manejan líquidos de drenaje, de proceso en fábricas de papel, líquidos viscosos y otros similares que contengan sólidos. La bomba en la Fig. 1-17, es un diseño típico con impulsores de paleta, tiene una cubierta de
F IG. 1-22. Bomba vertical lubricada por aceite con impulsores cerrados. (Cortesía de Layne and Bowler Carp .)
FIG. 1-23. Bomba vertical de flujo mixto que puede ser lubricada por aceite o por agua. (Cortesía de lngersoll-Rand Ca .)
samente que cualquier otro tipo. Las primeras unidades eran rotatorias o bien del tipo de acción directa por vapor. Los aditamentos especiales (Fig. 1-18) se suministran generalmente como parte de la bomba , debido a que toda la uni¿.ad debe llenar la aprobación de los Laboratorios Underwrirer.
BOMBAS
BOMBAS - S~U ' SELECCIÓN y APLICACIÓN
38
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FIG . 1-24
Impulsores típicos.
CENTRíFUGAS
39
Los tamaños normales para los Laboratorios Underwriter y compañías de seguros son 31.5, 47.3, 63.0, 94.5, 126.0 Y 157.5 lps. Las bombas especiales de servicio contra el f~ego están clasificadas en 12.6, 18.9 Y 28.4 lps. Estas están limitadas al 130 por ciento de su capacidad de clasificación máxima y usan motores de 30 hp o menos. Servicio de Calefacción al Vacío. Se construyen en diseños especiales (Fig. 1-19) para este tipo de servicio, con objeto de dar una buena eficiencia en una amplia región de cargas de calefacción. Un imp'llsor del tipo cerrado sobre una flecha de acero inoxidable asegura una larga vida debido al diseño contra sobrecargas que protege al motor mientras que el material de la flecha resiste la corrosión y la erosión que pudiera ocasionar el líquido que se maneja. Circulación de Agua Caliente. Para servicios de calefacción similares, es muy popular el tipo de unidad de acoplamiento directo (Fig. 1-20). La bomba mostrada está provista de chumaceras de manguito y de un sello mecánico. Bombas Verticales. Existen en el mercado un gran número de diseños de bombas verticales; los mostrados en las Figs. 1"21 a 1-23 son típicos. La bomba de sumidero en la Fig. 1-21 es un ejemplo del diseño más común para este servicio, provista de impulsor semiabierto de un solo paso, chumaceras de bola y chuma c:;.~ras de mango para la flecha. La bomba vertical lubricada por aceite en la Fig. 1-22 es un ejemplo del tipo usado frecuentemente para servicio de pozo profundo y para una gran variedad de otras tareas similares de bombeo. Esta unidad en particular tiene impulsores cerrados y chumaceras de mango en la línea de flecha. Las bombas verticales de flujo mixto (Fig. 1-23) se aplican generalmente en tare~s de bombeo de gran capacidad con columnas desde reducidas hasta moderadas, aun cuando las unidades de baja capacidad en este diseño también se construyen. Las unidades de este tipo son comunes en aplicaciones de suministro de aguas, irrigación, drenaje, control de avenidas, servicio de muelles, circulación de condensadores y otras similares. Bombas 'rurbinas Regenerativas. Estas (Fig. 1-17a) tienen limitaciones perfectamente definidas en cuanto a columna y capacidad más allá de las cuales nO puede competir económicamente con la bomba centrífuga usual. Sin embargo, dentro ele su margen de aplicación tienen ventajas apre-
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y i\PLICAC¡ÓN
40
BOMBAS
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FIG. 1·26.
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Diseños d e carcasas.
41
CENTRÍFUGAS
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Disposiciones típicas d e los a nillos de d esgast e.
ciables, incluyendo buenas características succión --elevación, una característica columna- capacidad muy levantada, y buena eficiencia. Otros Diseños. Se fabrican regularmente un gran número de otros diseños, más muchos di seños especiales, para una descripción que cubra los numerosos t ipos véase "Pumps", de Kristal y Annett (2d. ed, McGraw-HiJI Book Company, Inc., New York, 1953) y los catálogos de los diferentes fabricantes. En los capítulos finales del presente volumen se discuten también muchos de los diseños comunes, bajo el título general de Aplicación de Bombas. Impulsores. Además de clasificarse de acuerdo con la velocidad especifica, un impulsor se identifica por cuanto a la forma en que entra el líquido, los detalles de los álabes, y el uso para el que se destina. Los impulsoref;¡ abiertos (Fig. 1-24A) tienen álabes unidos a un mamelón central por medio de tabiques relativamente pequeños. Los impulsores semiabiertos B tienen una tapa o pared en un solo lado. Los impulsores cerrados e y D tienen tapas en ambos lados para encerrar el pasaje de líquido. Las unidades de succión simple o en ei extremo e tienen la entrada de líquido en un lado. En el tipo de doble succión D el líquido entra en ambos lados. En E , F y G se muestran diseños para manejar pulpa de papel, un tipo de paletas y uno de flujo mixto. Carcasas. Las carcasas de las bombas centrífugas pueden estar divididas horízontalmente (Fig. 1-25A), vertical-
42
BOMBAS -
su
BOMBAS
SELECCIÓN y APLICACIÓN
mente (Fig. 1-25B), o diagonalmente (a un ángulo cualquiera difer{~nte de 90 grados). Las carcasas dividias horizontalment,~ t~mbién se conocen como dividias axialmente. Tanto las bog,uillas de succión como de descarga se encuentran normalmente en la mitad inferior de la carcasa. La mitad superior se quita para facilidad de inspección. Las carcasas divididas verticalmente también se conocen como divididas radialmente. Se usan en diseños de acoplamiento directo o de montaje sobre marco. Las carcasas de barril e y D se usan en bombas de difusor o en presión y de espiral. La carcasa inferior se ajusta en el barril exterior. La presión de descarga que actúa sobre la carcasa inferior · suministra la fuerza de sello necesario para mantener las mitades de la carcasa juntas. Anillos de Desgaste. Para evitar el desgaste costoso de. la carcasa y del impulsor en la junta de operación, se instalan anillos de desgaste, conocidos también como anillos de sellado o anillos de carcasa. Cuando estos anillos son movibles, que es el caso general, pueden reemplazarse a una fracción del costo de un nuevo impulsor o carcasa de la bomba que de otra manera serían necesarios. En la Fig. 1-26 el sello a es una unión plana simple. La unión similar b tiene un anillo plano montado en la carcasa de la bomba. En e el anillo se ajusta en una ranura de la carcasa; el impulsor puede tener un anillo similar. En los diseños d, e y t, los anillos están ajustados tanto a la carcasa como al impulsor. La forma varía con la presión de descarga de la bomba, servicio, etc. Chumaceras. Prácticamente todos los tipos de chumaceras existentes se han usado en las bombas centrífugas. Al presente, las más usadas son las de balas, manguito y Kingsbury. Muchas bombas tienen más de un tipo de chumacera para llenar diferentes requisitos. Las chumaceras de balas (Fig. 1-27A) pueden ser del tipo de una o dos hileras. Las chumaceras de rodillos esféricos se usan ampliamente en flechas de bombas grandes. Las chumaceras de manguito B y e pueden ser horizontales o verticales. En el último caso, el lubricante es generalmente el agua. En las bombas más grandes todavía se usan chumaceras de empuje Kingsbury, D. El diseño se asemeja al usado en la maquinaria rotatoria. Cubreflechas. La cubierta (Fig. 1-28) protege la flecha contra corrosión, erosión y desgaste que afecte su resistencia. Se usan muchas formas en las bombas grandes pero en las pequeñas la cubierta generalmente se elimina con objeto
43
CENTRíFUGAS
I
FlG. 1· 27.
Cuatro tipos de chumaceras para bomba centrífuga.
FIG. 1·28.
Cubre,fiecha.
-- '1 \
FIG. 1-29.
Dos fonnas de disponer los anillos selladores.
BOMBAS
45
CENTRíFUGAS
de reducir las pérdidas hidráulicas y en los estoperos. La flecha se hace entonces de un metal con suficiente resistencia a la corrosión y al desgaste para dar una vida ·satisfactoria. Pueden existir cubiertas de flechas entre los diversos pasos de una bomba de varios impulsores. En algunas, un mamelón alargado sobre el impulsor reemplaza a la cubierta entre impulsores. Anillos de Sellado. Éstos (Fig. 1-29) se usan para evitar la entrada de aire a la bomba cuando opera con una elevación de succión, así como para distribuir el líquido sellador uniformemente en el espacio anular entre el núcleo de la caja y la superficie de la cubierta de la flecha. También se conocen como cajas selladoras y anillos de sello de agua o de sello de líquido y reciben el líquido bajo presión de la bomba o de una fuente independiente. Algunas veces se usa grasa como medio sellador cuando no se t iene a la mano líquido limpio o cuando no puede usarse (bombas de drenaje). Prensaestopas. Los prensaestopas tienen por objeto evi-
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Fm. 1-31.
Sellos mecánicos externos e internos.
tar la entrada del aire en la carcasa cuando la presión dentro de ella se encuentra bajo la atmosférica y limita el escape de la carcasa a un mínimo cuando la presión es superior a la atmosférica. La Fig. 1-30 muestra una caja sólidamente empaquetada, sin anillos selladores y dos diseños de inyección, con anillos. En bombas que manejan líquidos calientes, o que tienen presiones altas en el prensaestopa, éste se encuentra generalmene cubierto por una chaqueta de agua. En FrG. 1-30.
Diseño de prensaestopa.
46
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓ N
algunos casos, se mezclan el líquido de enfriamiento y el bombeado. Sellos de Flecha. Se usan en una gran variedad los sellos mecánicos cuando es indeseable tener escapes alrededor ele la flecha. También encuentra aplicación cuando los prensaestropas no suministran una adecuada protección cont ra escapl~S. Las superficies del sellado perpendicular a la flecha de la bomba, usualmente comprenden dos partes pulidas y lubricadas que rozan entre sí. Aun cuando no son a pruebas de escapes, éstos son prácticamente nulos. El tipo externo (Fig. 1-31a) se usa cuando es indeseable tener líquidos sucios o de escape retenidos en el prensaestopa. El tipo interno b tiene muchas aplicaciones en líquidos volátiles.
CAPíTULO
2
BOMBAS ROTATORIAS Las bombas rotatorias que generalmente son unidades de desplazamiento positivo, consisten de una caja fija que contiene engranes, aspas, pistones, levas, segmentos, tomillos, etc. , que operan con un claro mínimo. En lugar de "aventar" el líquido como en una bomba centrífuga, una bomba rotatoria 10 atrapa, lo empuja contra la caja fija en forma muy similar a como lo hace el pistón de una bomba reciprocante. Pero, a diferencia de una bomba de pistón, la bomba rotatoria descarga un flujo continuo. Aunque generalmente se les considera como bombas para líquidos viscosos, las bombas rotatorias no se limitan a este servicio sólo. Pueden manejar casi cualquier líquido que, esté libre de sólidos abrasivos. Incluso puede existir la pr~sencia de sólidos duros en el líquido si una chaqueta de vapor alrededor de la caja de la bomba los puede mantener en condición fluida. TIPOS DE BOMBAS ROTATORIAS Bombas de Leva y Pistón. También se llaman bombas de émbolo rotatorio, y consisten de un excéntrico con un brazo ranurado en la parte superior (Fig. 2-1). La rotación
FIG. 2-1. Bomba rotatoria de leva y pistón .
FIG. 2·2. Bomba rotatoria de engranes exte rnos.
48
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
de la flecha hace que el excéntrico atrape el líquido contra la caja. Conforme continúa la rotación, el líquido se fuerza de la caja a través de la ranura a la salida de la bomba. Bombas de Engranes Externos. Éstas constituyen el tipo rotatorio más simple. Conforme los dientes de los engranes se separan en el lado de succión de la bomba (Fig. 2-2), el líquido llena el espacio entre ellos. Éste se conduce en tra-
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I
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49
ROTATORIAS
brecargar las chumaceras y causar una operación ruidosa. Bombas de Engrane Interno. Este tipo (Fi:g. 2-3) tiene un rotor con dientes cortados internamente y que encajan <)n un engrane loco, cortado externament~. Puede usarse (Fig.
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BOMBAS
FIG. 2-7. Bomba de un tornillo.
FIG. 2-8.
Bomba tornillos.
de~'
dos
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'...- . /
FIG. 2-3. Bomba de engranes internos.
FIG. 2-4. ~,
Bomba rotatoria de dos lóbulos.
yectoria circular hacia afuera y es exprimido al engranar nuevamente los dientes. Los engranes pueden tener dientes simples, dobles, o de involuta. Algunos diseños tienen agujeros de flujo radiales en el engrane loco, que van de la corona y del fondo de los dientes a la perforación interna. Éstos per-
2-3) una partición en forma de luna creciente para evitar que el líquido pase de nuevo al lado de succión de la bomba. Bombas Lobulares.Éstas se asemejan a las bombas del tipo de engranes en su forma de acción, tienen dos o más r(ltores cortados con tres, cuatro, o más lóbulos en cada rotor (Fig.s 2-4 a 2-6). Los rotores se sincronizan para obtener una
FIG. 2-9.
FIG. 2-5. Bomba rotatoria de tres lóbulos.
FIG. 2-6. Bomba rotatoria de cuatro lóbulos.
miten que el líquido se comunique de un diente al siguiente, evitando la formación de presiones excesivas que pudiesen so-
Bomba de t.res tomillos.
FIG. 2-10.
Bomba de paletas oscilantes.
rotación positiva por medio de engranes externos. Debido a que el líquido se descarga en un número más reducido de cantidades mayores que en el caso de la bomba de engranes, el flujo del tipo lobular no es tan constante como en la bomba del tipo de engranes. Existen también combinaciones de bombas de engrane y lóbulo. Bombas de Tornillo. Estas bombas (Figs. 2-7 a 2-8) tienen de uno a tres tornillos roscados convenientemente que
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓ~'
50
BOMBAS
51
ROTATORIAS
Las bombas de dos y tres tornillos tienen uno o dos engranes locos, respectivamente, el flujo se establece entre las roscas de los tornillos, y a lo largo del eje de los mismos. Pueden usarse tornillos con roscas opuestas para eliminar el empuje axial en la bomba.
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1
7-
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~kg/cm2 ,2
~6
6_r-----t=""--=:::::--+ Capacidad a 600
FIG. 2-11. Bomba de paletas deslizantes.
FIG. 2-12. Bomba de bloque de vaivén.
giran en una caja fija. Existe un gran número de diseños apropiados para varias aplicaciones. Las bombas de un solo tornillo tienen un rotor en forma
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FIG. 2-13.
espiral que gira excéntricamente en un estator de hélice interna o cubierta. El rotor es de metal y la hélice es generalmente de hule duro o blando, dependiendo del líquido que se maneje.
FIG . 2-14 . Bomba . que usa un excéntrico en una cámara flexible.
0~c~-~6~0~~~1~270-L-~18~0~~~2L40--L-3~000
Bomba de junta universal.
FIG. 2.15. Bomba de tubo flexible .
Presión de descargalb j plg2 FIG. 2-16.
Características de capacidad y caballaje de una bomba de engranes externos.
Bombas de Aspas. Las bombas de aspas oscilantes (Fig. 2-10) tienen una serie de aspas articuladas que se balancean conforme gira el rotor, atrapando al líquido y forzándolo en el tubo de descarga de la bomba. Las bombas de aspas deslizantes (Fig. 2-11) usan aspas que se presionan contra la carcasa por la fuerza centrífuga cuando gira el rotor. Ellíquido atrapado entre las dos aspas se conduce y fuerza hacia la descarga de la bomba. Otros Diseños. Las bombas de block de valven (Fig. 2-12) tiene un motor cilíndrico que gira en una carcasa concént~ica . En el interior del rotor se encuentra en un bloque que cambia en posición de vaivén y un pistón reciprocado por un perno loco colocado excéntricamente, produciendo succión y descarga. La bomba de junta universal (Fig. 2-13) tiene un peque-
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN.
52 50
3 9 12 250rl----~I.---~~~~~~--~~~~-~
40
200
BOMBAS
53
ROTATORIAS
Tabla 2-1.
Características Típicas Bomba Rotatoria de Tres Tornillos. *
--Bhp a 3.5 kg/cm 2
El
~
..
];
30
e: 150 .."
Capacidad a 150 SSU 7.03 kg/cm 2 presión de descarga, lps
500 SSU
5000 SSU
Elevación máx. enmmHg
0.12 0.38 0.95 1.77 2.65 4.42
0.2 0.5 0.9 1.6 2.2 3.7
0.4 1.2 1.8 2.4 3.7 7.2
432 432 432 432 432 203
Bhp a 7.03 kg/cm 2
Ele:-'
500 5000 SSU SSU
ción máx. nunHg
"
:1l
~
"So
w
20 (j 100
10 Capacidad Nominal 12.6 lps a 360 rpm
O
O O
~
40
I
I
80
120
0.4 0.7 U;
2.9 3.9 6.3
0.5 1.4 2.5 3.8 5.4 9.8
432 432 432 432 432 203
-JI___ --'. 160
200
Presión de descarga lb/ plg '
FrG. 2~17. Característkas de capacidad y caballaje de una bomba de engranes internos. (Cortesía. de Viking Pump Ca.)
ño tramo de flecha en el extremo libre del rotor, soportado en una chumacera y a 30 grados con la horizontal. El extremo opuesto del rotor se encuentra unido al motor. '< Cuando el rotor gira, cuatro grupos de superficies planas se abren y cierran para producir una acción de bombeo o cuatro descargas por revolución. Un excéntrico en una cámara flexible (Fig. 2-14) produce la acción de bombeo exprimiendo al miembro flexible contra la. envoltura de la bomba para forzar el líquido hacia la descárga. Las bombas de tubo flexible (Fig. 2-15) tienen un tubo de hule que se exprime por medio de un anillo de compresión sobre un excéntrico ajustable. La flecha de la bomba, unida al excéntrico,.1o hace girar. Las bombas de ~ste diseño se construyen con uno o dos pasos. Existen otros diseños de bombas de tubo flexible.
CARACTERíSTICAS DE BOMBAS ROTATORIAS Si se desprecian los escapes, las bombas rotatorias descargan un gasto constante independiente de las presiones variables de descarga. ASÍ, la curva usual HQ es prácticamente
* Condensado de datos de De Laual 8team Turbine Ca. una línea horizontal (Fig. 2-16). El desplazamiento de una bomba rotatoria varía en forma directamente proporcional con la velocidad, sólo que la capacidad puede verse afectada por viscosidades y otros factores. Los líquidos gruesos y viscosos pueden limitar la capacidad de la bomba en altas velocidadesdebido a que el líquido no puede fluir a la carcasa con la rapidez necesaria para llenarla completamente. El deslizamiento o pérdida en capacidad por los claros entre la carcasa y el elemento rotatorio, suponiendo viscosidad constante varía al aumentar la presión de descarga. Por ejemplo, en la Fig. 2-16, a 600 rpm y O kg/cm 2 de presión de desc~rga, la ca~acidad es de 6.82 lps. Pero a 21 kg/cm 2 y a la mIsma velOCIdad, la capacidad es de 5.8 lps. La diferencia, 1.0 lps es el deslizamiento o pérdida. La potencia requerida por una bomba rotatoria, curva característica PQ, aumenta con la viscosidad del líquido (Fig. 2-17). La eficiencia disminuye con aumento en viscosidad. Esto puede también ser verdad, naturalmente, con otras clases de bombas. Pero, ya que las rotatorias tienen un uso general para líquidos viscosos, es importante recordar estas características. La Fig. 2-17 muestra las curvas características HQ y PQ para una bomba rotatoria del tipo de engrane y perno. Tablas de Características. Igual que con las bombas
54
BOMBAS BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
centrífugas, frecuentemente se usan las tablas de características para dar los datos necesarios sobre la capacidad de la bomba, potencia necesaria y columna. Muchas tablas de características para las bombas rotatorias contienen también una columna para viscosidad, mostrando el efecto de una viscosidad au.r;nentada o disminuida sobre el comportamiento de la bomba. La Tabla 2-1 muestra datos típicos de comportamiento para una bomba rotatoria de tres tornillos. Clasificación El término genérico bombas rotatorias se usa casi exclusivamente en esta clase. Pocos fabricantes clasifican sus bombas en función de su aplicación. En su lugar, señalan una lista de aplicaciones posibles para un tipo dado. Esta práctica es diferente a la que se usa para bombas centrífugas, en donde se coloca mayor énfasis a la aplicación que a la clase o tipo o construcción de bomba. La mayor parte de los fabricantes de bombas rotatorias enfatizan el tipo de unidad, además de la clase--por ejemplo, una bomba rotatoria de engrane interno. Tal identificación es una guía muy útil durante las etapas iniciales de la selección de bombas. Desde luego, las prácticas usuales en este respecto varían de un fabricante a otro. Materiales de Construcción . . Las bombas rotatorias están clasificadas por el Instituto Hidráulico, como: (1) todas de fierre' (2) aditamentos de bronce y (3) todas de bronce. En una bomba toda de fierro, todas y cada una de las partes de la unidad en contacto directo con el líquido está hecha de metal ferroso. En una bomba con aditamentos de bronce, la carcasa está hecha de metal ferroso y algunas partes sujetas a desgaste, tales como rotores, álabes, y otras partes movibles están hechas de bronce. La flecha puede ser de acero o metal no ferroso. Las bombas todas de bronce tienen todas y cada una de las partes de la unidad que se encuentren en contacto directo con el líquido, hechas del bronce normal de fabricación del fabricante individual, excepto la flecha, que puede ser de ·, acero inoxidable o de un metal no ferroso. Aplicaciones de Bombas. La mayor parte de las bombas rotatorias son autocebantes y pueden, de ser necesarlo, trabajat con gas o aire. Las aplicaciones típicas incluyen el paso de líquido de todas las viscosidades, procesos químicos, alimento, descarga de barcos, lubricación a presión, pintura a presión, sistemas de enfriamiento, servicio de quemadores
ROTATORIAS
55
de aceite, manejos de grasa, gases licuados (propano, butano, amonio, freón, etc.), y un gran número de otros servicios industriales. Cuando han de bombearse líquidos a temperaturas arriba de 82 grados C, debe consultarse al fabricante para obtener sus recomendaciones.
CAPÍTULO
3
BOMBAS RECIPROCANTES
Las bombas reciprocan tes son unidades de desplazamiento positivo descargan una cantidad definida de líquido durante el movimiento del pistón o émbolo a través de la distancia de carrera. Sin embargo, no todo el líquido llega necesariamente al tubo de descarga debido a escapes o arreglo de pasos de alivio que puedan evitarlo. Despreciando éstos, el volumen del líquido desplazado en una carrera del pistón o émbolo es igual al producto del área del pistón por la longitud de la carrera. TIPOS DE BOMBAS RECIPROCANTES Existen básicamente dos tipos de bombas reciprocanteslas de 3!9iÓlLdirec.ta, movidas por vapor y las bombas de...p.,.o...:.. hmcia. Pero existen muchas modificaciones de los diseños bás[;;~s, construidas para servicios específicos en diferentes campos. Algunas se clasifican como bombas rotatorias por
FIG. 3-1. Bomba horizontal de pistones dobles d e acción direct.a. E l ext remo de va por está a la izquie rda; el extremo de l líquido a la derecha. (Cortesía de Warren Steam. Pu.m.p Co. , ¡ne.)
BOM BAS
h8
RECIPROCAN TES
59
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Fra . 3-2. Bomba de vapor para lodo, con extremo líquido del tipo de cámara con. cilindro dividido y con múltiple de succión en la parte infe rior del cilindro del líquido. (Cort esía de Gardner-Denver Co.)
los fabricantes, aunque en realidad utilizan el movimiento reciprocante de.,Ei..stones o émbolos para asegurar la acción de bombeo. El térmmo más general -reciprocante-, será el usado para estas bombas en el presente libro. Bombas de Acción Directa. En este tipo, una varilla común de pistón conecta un pistón de vapor y uno de líquido (Fig. 3-1) o émbolo (Fig. 3-3). Las bombas de acción directa
3-3. Bomba horizontal dupl ex de émbolo del tipo de vá lvul a de cámara con empaque extremo exterior; los émbolos están unid,)s por varillas de unión. (Cortesía de Wo/'thington Corp .) FIG.
FIG. 3-4. Bomba horizontal de potencia simple, movida por un piñón engranado a un cigüeñal, tiene válvulas de succión y descarga del tipo de disco. (Cortesía de Fairbanks M orse and Co.)
Fra. 3-5. B omba cuadruplex de ém bolo horizontal para presiones altas, m ovida por motor con engrane y piñón. Los yugos mueven los émbolos. (Cortesía de Th e Royalton Co.)
60
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
se construyen, simplex (un pistón de vapor y un pistón de líquido, respectivamente) y duplex (dos pistones de vapor y dos de líquido) . Los extremos compuestos y de triple expansión, que fueron usados en alguna época no se fabrican ya como unidades no~·males. Las bombas de acción directa horizontales simplex y duplex, han sido por mucho tiempo muy apreciadas para diferentes servicios, incluyendo alimentación de calderas en presiones de bajas a medianas, manejo de lodos, bombeo de aceite yagua, y muchos otros. Se caracterizan por la facilidad de ajuste de columna, velocidad y capacidad. Tienen buena eficiencia a lo largo de una extensa región de capacidades (Tabla 3-1). Las bombas de émbolo (Fig. 3-3) se usan generalmente para presiones más altas que los tipos de pistó!) (Fig. 3-1 y Fig. 3-2). Al igual que todas las bombas recipro-. cantes, las unidades de acción directa tienen un flujo de descarga pulsan te. Tabla 3·1.
BOMBAS
RECIPROCANTES
61
3-2). El extremo líquido, que puede ser del tipo de pistón o émbolo, desarrollará una presión elevada cuando se. cierra la válvula de descarga. Por esta razón, es práctica común el proporcionar una válvula de alivio para descarga, con objeto
Eficiencias Aproximadas % de Bombas de Acción Aplicada .
.. .
ear.rera mm " ..... . . , . . . Bomba de manivela y volante Bomba de pistón .. . . ..... I Bomba de alta presión
127
203
254
60 55
70 64
74 67
508 87 84 76
762 88 86 78
1,016 90 88 80
1,270 92 90 81
Bombas de Potencia. Estas (Figs. 3-4 a la 3-7) tienen un cigüeñal movido por una fuente externa -generalmente un motor eléctrico-, banda o cadena. Frecuentemente se usan engranes entre el motor y el cigüeñal para red~cir la velocidad de salida del elemento motor. Cuando se mueve a velocidad constante, las bombas de potencia proporcionan un gasto casi constante para una amplia variación de columna, y tienen buena eficiencia (Tabla Tabla 3-2.
Eficien cia aproximada de bombas de potencia
...
Hp de agua ... , .. Eficiencia, % .. , , ..
3 55
5 65
10 72
20 77
30 80
50 83
75 85
100 86
200 88
-
FIG. 3-6. Bomba de potencia vertical de acción simple, tiene flecha de piñón para mover el cigüeñal. (Cor tesía de The D eming Ca .)
FIG. 3-7. Bomba invertida de potencia d e émbolo vertical triplex para aplicacione's de alta presión. (Cortesía de Worthington Corp.)
de proteger la bomba y su tubería. Las bombas de acción directa, se detienen cuando la fuerza total en el pistón del agua iguala a la del pistón de vapor; las bombas de potencia des.a rrollan una presión muy elevada antes de detenerse. L;a presión de parado es varias veces la presión de descarga n'tJrmal de las bomba~\ de potencia .
BOMBAS
62
63
RECIPROCAN TES
IlOMIlAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
.-.
Pro. 3-10. Bomba de émbolo para medición y proporclOn con copIe del tipo de movimiento _perdido dada para ajuste de longitud de carrera v capacidad. (Cortesía rte Hills-M cCanna Co . )
,
FI'!. 3-8.
Bomb:l ¡{¡'ande de potencia para alta presión. ( ortesia de Aldrich Pump Co.)
FIG. 3-11. Bomba alimentadora d el tipo de émbolo duplex, con ajuste micrométrico d e longitud de carrera variando la posición d el pl"rno de lIío.¡ü,!"la. (Cortesía de Proportion. <;~ rs, lne.)
FIG .
0-!::I.
Bomba de émbolo d e volumen controlado con ajuste d e tor-
lli!b ~)ara la longitud de la carre ra. (Coriesia dp. 1\11 ilton Roy Co.)
64
65
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
FIG.3-12. UnIdad de pistón y diafragma para bombeo de volumen cont.rolado que usa aceite para la acción de diafragma que bombea el líquido. (Cortesía de Lapp lnsulator Ca ., lne.) FIG .. 3-14. Bomba de diafragma tipo de presión movimiento de potencia con válvulas de descarga y succión de bola dentro de la cámara de bombeo. ~:-=:~
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FIG. 3-13. Bomba de diafragma de succJOn de bola y válvulas de descarga movida por motor r:1ediank un cj<>. (Co.-tesía dI' 1\1 nr/.ol1J Pump Division, Bell and Gosset CG'.)
FrG. 3-15.
La salida de esta bomba puede ajustarse durante la operación .
66
BOM B AS
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓ N
RECI P RO C ANTES
67
de pistón. Las bombas de potencia de alta presión (Fig. 3-8) son generalmente verticales pero también se construyen unidades horizontales.
Las bombas de pútencia se encuentran particularmente bien adaptadas para servicios de alta presión y tienen algunos usos en la alimentación de calderas, bombeo en líneas de tuberías, proceso de petróleos y aplicaciones similares.
.l:<'¡G. 3-1. 7. Bomba a acción simple de émbolo rotatorio con cinco a si~te émbolos dispu estos en CÍrculo . (Cort esía de Watson Stilman Ca.)
Bombas del Tipo Potencia de Baja Capacidad. Estas unidades (Figs. 3-9 a 3-12) se conocen también como bombas
e Fra . 3-16. Bomba de aspersión, de alta velocidad y pequeña carrera, opera a presiones de 4 a 5.6 kg/cm 2 y maneja productos químicos.
Las bombas de potencia del tipo manivela volante en los primeros diseños eran generalmente movidas por vapor_ En el. presente, sin embargo es más común el movimiento por motor eléctrico o de combustión interna debido a que este arreglo da una instalación más económica y compacta y requiere menos mantenimiento. Las bombas de potencia del tipo émbolo de alta presión pueden ser horizontales o ve;') ' ._a~es (Figs. 3-5 y 3-7). Generalmente se usan para prensas hidráulicas, procesos de petróleos y servicios similares. Sin embargo , ha y otros diseños que también encuentran uso para los mismos servicios. La Fig. 3-6 muestra una bomba de potencia, del tino
Flecha motriz
,, ,'
F re: . 3- 18. Bomba de desplazamiento variable y piston paralelo; el ba rril del cilindro sin los pistones gira con la fl echa motriz.
68
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
de capacidad variable, volumen controlado y de "proporción". Su uso principal es pa\l'a controlar el flujo de pequeñas can-
FIG. 3-19. En esta bomba el barril del cilindro y sus pistones se ba· lancean formando un ángulo para ajustar el régimen de descarga.
tidades de líquido para alimentar calderas, equipos de proceso y unidades similares. Como tales ocupan un lugar muy im-
FIG. 3-20.
Bomba de placa articulada d" desplazamiento variable en la que la placa W no gira con la flecha mot.riz.
BOMBAS
RECIPROCANTES
69
portante en muchas operaciones industriales en todo tipo de plantas. . La capacidad de estas bombas puede variarse cambiando la longitud de la carrera (Figs. 3-9 a 3-11). La unidad en la Fig. 3-12 usa un diafragma para bombear el líquido que se maneja, pero el diafragma está accionado por un émbolo que desplaza aceite dentro de la cámara de la bomba. Cambiando la longitud de la carrera del émbolo se varía el desplazamiento del diafragma. Existen muchos diseños de bombas de desplazamiento variable. Ésas se discutirán en capítulos posteriores, sobre aplicación de bombas. Bombas del Tipo de Diafragma. La bomba combinada de diafragma y pistón en la Fig. 3-12 generalmente se usa sólo para capacidades pequeñas. Las bombas de diafragma (Figs. 3-13 a 3-15) se usan para gast::>s elevados de líquidos, ya sea claros o conteniendo sólidos. También son apropiados para pulpas gruesas, drenajes, lodos, soluciones ácidas y alcalinas, así como mezclas de agua con sólidos que puedan ocasionar erosión. Un diafragma de material flexible no metálico, puede soportar mejor la acción corrosiva o erosiva que las partes metálicas de algunas bombas reciprocantes. La bomba de rocío de diafragma de alta velocidad y pequeño desplazamiento de la Fig. 3-16 está provista de una succión del tipo discoidal y válvulas de descarga. Ha sido diseñada para manejar productos químicos. Otros Diseños. Existen también un gran número de otros tipos de bombas reciprocantes, diseñadas para servicios especializados. Muchas se usan en sistemas hidráulicos industriales, de lubricación, de manejo de químicos, y similares. Su capR.cidad y presión de descarga varían con la aplicación para la que se haya diseñado la unidad. La unidad de acción simple de émbolo rota torio en la Fig. 3-17 tiene cínco o siete émbolos en un círculo. Cada émbolo está conectado a una placa de articulación común accionada por el motor. La rotación de la placa produce el movimiento reciprocan te de los émbolos, causando las acciones de succión y descarga. El flujo de descarga de esta bomba es constante. La bomba de pistones paralelos en la Fig. 3-18 tiene una caja de posición T movida por un control e para variar la salida del líquido de la unidad. En otro diseño (Fig. 3-19) el barril del cilindro y sus pistones se balancean formando un ángulo con la flecha de mando para ajustar el flujo
¿
70
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
~e descarga. La bomba de pistón horizontal en la Fig. 3-20 tlene una placa de articulación W que no gira. Los pistones P dan la acción de bombeo deseada.
BOMBAS
71
RECIPROCAN TES
Bombas de Potencia. Las curvas de descarga para las bombas de potencia toman la forma de ondas senoidales (Fig. 3-22) debido a que los pistones o émbolos están II).ovidos por manivela. El flujo de descarga no cambia en forma tan pronunciada como en las bombas de acción directa. Las bombas
CARACTERíSTICAS DE LAS BOMBAS RECIPROCANTES El flujo de descarga de las bombas centrífugas y de la mayor parte de las bombas rotatorias es continua . Pero en las bombas reciprocan tes el flujo pulsa, dependiendo del carácter de la pulsación del tipo de bomba y de que ésta tenga o no una cámara de colchón.
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Carrera completa
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FIG. 3-21.
Curvas de descarga para bombas de acción d irecta (a) simplex y (b) duplex.
Bombas de Acción Directa Simplex. Las bombas de vapor que operan a velocidad normal tienen una curva de descarga Gomo la que se muestra en la Fig. 3-2la. El flujo es constante hasta el final de la carrera, en donde el pistón del líquido se detiene y regresa. Sin una cámara de colchón el flujo teóricamente cesa cuando el pistón se detiene. Sin ~m bargo, una cámara de aire evita esto, dando las características ~ostradas. Las bombas de acción directa duplex de vapor tlen~n generalmente la descarga de un cilindro desplazada medIa carrera con respecto a la del otro. Los dos se juntan para dar la línea continua en la Fig. 3-2lb que tiene el doble de depresiones que la bomba simple, pero los puntos de las depresiones nunca se encuentran más abajo que los de una bomba de acción directa simplex.
FIG . 3-22. Curvas de descarga para tres tipos de bombas de potencia (al simple de doble acción ; (b) duplex d e doble acción (e) triplex de simple acción.
de potencia simplex de doble aCClOn, correspondientes a las curvas de la Fig. 3-22a, tiene un gasto máximo de 60 por ciento mayor que su gasto medio. El flujo mínimo se encuen' tl'a 100 por ciento abajo del flujo medio. Esto significa que algún punto durante cada ciclo de bombeo, el flujo de la bomba es cero. Pero el flujo de la línea de descarga puede ser prácticamente constante, dependiendo del diseño de la tubería y de la cantidad y clase de capacidad de colchón que se usa. La bomba duplex , de doble acción, cuya curva está mostrada en la Fig. 3-22b tiene un gasto máximo de 26.7 por ciento arriba. de su flujo medio; el mínimo es 21.6 por ciento abajo del medio. Luego, siempre hay flujo en el tubo de des-
el)
72
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
carga cuando la bomba está operando. Una bomba triplex de acción simple contribuye aún más a emparejar la curva de descarga (Fig. 3-22c). El gasto máximo para esta unidad es de 6.64 por ciento arriba del medio; el mínimo es de 18.4 por ciento abajo. Con cualquier bomba reciprocan te, la diferencia entre la descarga máxima y la media se almacena en la cámara de colchón hasta que la descarga es menor que la media. Las bombas de potencia quintuplex y sextuplex empalman aún más la curva de descarga, hasta dar una característica prácticamente constante de flujo de descarga. Sin embargo, la mejor forma de jugar la característica de una curva de descarga es la aplicación misma. Las pulsaciones amplias pueden ser de importancia secundaria en una instalación, mientras que en 'o tra pueden ser una consideración importante. Nótese que los porcentajes de variaciones de gasto dados para las unidades de la Fig. 3-22 se aplican solamente a las curvas mostradas. El diseño de bombas, ángulo de manivela, así como otros muchos factores, cambiarán el flujo de una unidad con respecto a otra. Los valores dados, sin embargo, representan las prácticas corrientes y la variación de un fabricante a otro no es generalmente muy grande. Bombas de Baja Ca'pacidad del Tipo de Potencia. Hasta cierto punto, estas unidades se asemejan a sus contrapartes más grandes por lo que respecta a la curva de descarga. Pero el hecho de que la mayor parte de estas unidades sean bombas de capacidad variable, altera notablemente la apariencia de las curvas. La Fig. 3-23 muestra una serie de curvas de descarga para unidades de capacidad variable típicas. Una bomba simplex de acción simple, tiene un flujo pulsante como se muestra en la Fig. 3-23a sin descarga durante la carrera de succión. Cuando la capacidad disminuye, la curva del tipo senoidal se aplana, como se muestra. Los diseños duplex de acción simple proporcionan el doble de líquido y tienen curvas de descarga similares a las unidades simplex (Fig. 3-23b). Cuando un pistón cesa de entregar líquido el otro comienza si los pistones están desplazados 180 grados según muestra la figura. De manera que no hay períodos prolongados en los que el flujo de la bomba sea cero. Cuando se desea un gasto constante sin pulsaciones, puede obtenerse una curva de descarga como la mostrada en la
BOMBAS
RECIPROCANTES
73
Fig. 3-23c usando una bomba de diseño especial para este servicio: Nótese cómo la curva es perfectamente plana, independIentemente de que la bomba trabaje a media carrera, carrera completa, o cualquier otro punto de ajuste. Nuevamente, es importante recordar que la curva de descarga de una bomba reciprocan te no nos da una medida de su eficiencia, sino simplemente una representación gráfica de lo que sucede en la descarga de la bomba. La medida final de la importancia de la forma de la curva, es el requisito de trabajo para el flujo del líquido en la línea.
Carrera completa
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Media carrera
Ca rrera completa Media carrera ---- ------------. _ _ _1-, 0% de la carrera _ _ _ __
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FIG. 3-23. Curvas de descarga para tres bombas pequ eñas d e capacidad variable: (a) simplex. simpl e acción; (b) duplex. simple acción y ( e) gasto constant.e,
Capacidad y Velocidad. Igual que otras bombas, las bombas reciprocan tes no succionan los líquidos. Reducen solamente la presión en la cámara de succión y la presión externa, generalmente la atmosférica, empuja el líquido en la bomba. Para cualquier homba con una línea de succión de tamaño dado, la capacidad o velocidad máxima viene fijada por la columna de succión neta positiva (cspn); ver Cap. 4.
74
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
BOMBAS
Conforme aumenta la velocidad en una bomba reciprocante, aumenta su capacidad, siempre y cuando no haya nada que interfiera con el gasto hacia adentro o hacia afuera de la bomba. Las curvas de la Fig. 3-24 muestran las velocidades básicas para bombas de potencia y acción directa. Para éstas, la velocidad se expresa en metros por minuto de movimiento de pistón. Para aquéllas, como velocidad de pistón o como rpm. Mps; carreras por min y ·tpnl ti
I
12
I
18
30
I
42
RECIPROCANTES
lo tanto, las curvas de la Fig. 3-24 todavía resultan válidas para un gran número de bombas de potencia en uso actualmente y para muchos diseños que existen aún en el mercado. Viscosidad del Líquido y Temperatura del Agua. Ambas variables afectan la velocidad y capacidad máxima de la Tabla. 3-3.
48
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bomba. Así, conforme la viscosidad del líquido cambia de 250 a 5 000 SSU (Tabla 3-3) la velocidad de la bomba disminuye de la normal hasta un 65 por ciento de su valor. Conforme la temperatura aumenta de 21 a 121°C, se tiene una disminución de velocidad de 62 por ciento de la normal. Los semisólidos; tales como lodos de ácidos, melazas y jarabes, se manejan en bombas reciprocan tes diseñadas para operar sin válvula de succión. Pueden usarse válvulas del tipo de disco o de bala para la descarga de estas unidades (Fig. 3-(9).
180200
carreras por min y rpm
FIG. 3.24.
Velocidades básicas para bombas de acción directa y de potencia. (Cortesía del Hidraulic Institute.)
En años recientes las velocidades de las bombas de potencia han a umentado notablemente para ciertas aplicaciones específicas. Las curvas de la Fig. 3-24, que son para velocidades básicas, no reflejan las velocidades más elevadas que se usan actualmente. Sin embargo, aún se encuentran en la etapa experimental algunas unidades de altas velocidades para aplicaciones generales en la industria . Parece ser que pasará algún tiempo antes de que los problemas relacionados a válvulas de líquidos, etc., sean satisfactoi'iamente resueltos. Por
FIG. 3-25.
Extremo del líquido del tipo dE, piaca ...ge válvula.
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
BOMBAS
77
RECIPROCANTES
Cuando se considera una bomba determinada, debe comprobarse con el fabricante para determinar los efectos exactos de viscosidad, cspn, temperatura y diseño sobre la capacidad. Las generalizaciones que se han dado antes. aun cuando son
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FIC.
3-26.
Fre. 3-28. Empaques en la parte superior del cilindro del líquido.
Extremo del líquido del tipo de cámara de válvula.
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I Frc . .1-27.
Bomba de émholo con em paques externos.
FIC. FIG.
3-29. Extremo líquido de una bomba triplex horizontal. 3-30. Válvulas de succión y descarga del tipo de bola .
BOMBAS
'18
RECIPROCANTES
79
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
guías útiles, no deben usarse como fuente única. La Tabla ;k l condensa los factores de corrección de velocidad para viseosidad y temperatura , recomendados por el Instituto de f-Üdráulica. Para usarlos, simplemente multiplíquese la velocid:nd normal por el porcentaje de reducción, expresado decin1id mente. Extremos de Líquido y Vapor. Los extremos de líquido (m las bombas reciprocan tes se construyen en un gran n~';mero de diseños para los diferentes líquidos, condiciones de s¡.orv.\{:io y presiones. Las Figs. 3-25 a 3-31 muestran varias expo.l.iiciones típicas para bombas modernas. La bomba de vapnr de acción directa en la Fig. 3-25, tiene un juego de válvulas en su extremo líquido con placas removibles de válvulas de descarga. La copa de empaque que se usa para el pistón líquido también se ve en la figura. El extremo líquido del tipo de olla de válvulas de la Fig. 3-26 tiene cámaras · de válvulas cerradas por cubiertas individuales, mientras que la bomba de émbolo empacada externamente de la Fig. 3-27 tiene sus válvulas en cámaras, y sus empaques dispuestos de manera que todos los escapes son externos y por lo tanto visibles. La bomba de potencia vertical en la Fig. 3-28 tiene el empaque de émbolo en la parte superior del cilindro líquido, mientras que la bomba triplex horizontal en la Fig. 3-29 tiene el empaque en su localización habitual con las válvulas de entrada y salida , abajo y arriba de los émbolos. Las válvulas de descarga y de succión, que son del tipo de bala en la bomba de volumen controlado de la Fig. 3-30, se encuentran arregladas en forma escalonada. En la Fig. 3-31 se muestra otro diseño del extremo líquido para una bomba vertical triplex. El diseño del extremo líquido en las bombas reciprocan tes es una función de la presión desarrollada, líquido manejado, capacidad de la bomba, etc. En los extremos del vapor de las hombas de acción directa, se encuentran frecuentemente válvulas planas tipo D para presiones de vapor de alrededor de 14 kg/cm" y menores. En bombas grandes de alta presión son comunes las válvulas de pistón balanceadas. La válvula plana de la Fig. 3-32 se mueve hacia atrás y hacia adelante en su asiento, gracias al pistón conectado en su parte superior. El movimiento de la válvula es regular y positivo. En una válvula de pistón balanceado (Fig. 3-33) la unidad está dispuesta de manera que se mueve en una ranura. Tiene un mínimo de fricción y desgaste. La
Fig. 3-34 muestra otro diseño de válvulas y pistón balanceado. El mecanismo de sincronización de la válvula de vapor (Fig. 3-35) conecta la varilla del pistón de la bomba a la varilla de empuje de la válvula de vapor y transmite el movimiento de la varilla del pistón a la válvula de vapor. El diseño de los extremos de vapor para las hombas verticales se asemeja a las unidades horizontales que aquí se muestran.
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FIG. 3-31.
Extremo líquido de una bomba tripleJ vertical.
Empaques de Pistón y Varilla. Cualquier material que se use para controlar el escape de líquido entre una parte movible y otra estacionaria en una bomba se llama en términos generales, empaque. Siendo flexible y generalmente de material suave, es fácil de substituir. La caja simple de empaque, de la varilla-pistón que se muestra en la Fig. 3-36a tiene varios anillos de empaque de
FIG . 3-32.
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Válvula plana movida por pistón.
BOMBAS
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
80
81
RECIPROCAN TES
empaque encamisadas (Fig. 3-36c) son muy populares para bombas de combustible caliente u otro líquido de alta temperatura, arriba de unos 260°C. El agua circula por la camisa para enfriar la parte de varilla que se encuentra en contacto
(el
(b)
(o)
FIG. 3-36.
Empaques de la varilla del pistón.
con el empaque. Las bombas de émbolo grandes, para manejar líquidos a altas temperaturas, también están provistas de émbolos huecos a través de los cuales circula continuamente el agua de enfriamiento. FIG. 3-33.
Válvula de vapor de ¡Jistón balanceáao 0:\
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.FIG. 3-37.
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3-34. Otra válvula del tipo de pistón balanceado. FIG. 3.35. Unión de las válvulas de vapor.
secclOn cuadrada. En varillas de pistón pequeñas, se tiene una sola tuerca alrededor del empaque, en lugar de los tornillos mostrados. El empaque Chevron (Fig. 3-36 b) se usa frecuentemente en lugar del empaque cuadrado. El émbol J qqe se muestra es para una bomba de alta presión. Las cajas dé '
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e
Empaques para pistones del líquido.
El empaque para pistones de líquido, toma muchas formas. En la Fig. 3-37A se muestra un tipo de empaque anular para bomba de servicio general con aditamentos de bronce. El empaque de copa (Fig. 3-37B) es normal para bombas de aceite. También son populares (Fig. 3-37C) los anillos de empaque de hule sólido . Válvulas de Extremo Líquido. Como regla general, en las bombas de baja presión se usan válvulas de disco con protuberancias usadas como guías. Para presiones moderadas, estas guías son del tipo de ala (con caras plana$ biseladas) y para altas presiones, se usan válvulas con guías de ala y caras biseladas. Sin embargo, influye mucho el líquido que se maneja como diseño de la bomba, etc.
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
BOMBAS
RECIPROCANT¡'j :'
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FIG . 3-38. Válvula de disco plano con costillas inclinadas. (Cortesía d e Sim.c, Pump VaLue Ca., Irte.)
FIG. 3-39.
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Vá lvulas del tipo de bola.
1<"IC . 3-42. Vál vula dE, baja pre · sión para líq uidos ' grue~os .
PIG. 3-40. Válvula guiada por ale tas para líqu ido s gruesos.
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l"IG . 3 .. 4:3 . Vál VIda el,) alta presión par a líquid os gruesos.
FIG. 3-41. Válvula guiada por aletas para líquidos claros a alta presión.
La válvula de disco plano de la Fig. 3-38 tiene costillas inclinadas en su asiento para dirigir el líquido, de manera que gira ligeramente el disco en cada carrera. Esto iguala el desgaste del disco. Las válvulas de bala (Fig. 3-39) se usan frecuentemente cuando se desea una abertura lihre para succión
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(o)
FIG . '¡·14.
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variació n d e capacidad.
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
del líquido y descarga. Las jaulas guían las balas durante su elevación y caída. Los asientos son circulares y completamente abiertos. La válvula con ala de guía en la Fig. 3-40, para líquidos corrosivos y espesos, puede proveerse con inserciones de hule renovable para las alas. En la Fig. 3-41 se muestra otro diseño para líquidos claros a alta presión, que tiene asientos renovables. La válvula de baja presión en la Fig. 3-42 Y la de alta presión en la Fig. 3-43 para líquidos gruesos, son de acero de aleación con inserciones sintéticas para servicios ordinarios. Cuando se encuentran líquidos corrosivos se usan materiales especiales. Las válvulas anulares de doble puerto (Fig. 3-31) son muy populares en bombas de grande potencia. Medios para Variar la Capacidad. Existe una infinidad de medios para variar la capacidad de las bomba.s reciprocantes pequeñas. Al comenzar este capítulo se han . descrito algunos de ellos. Sin embargo, para bombas de grandes potencias, no existen tantas variaciones. Quizás se debe a que hay menos variaciones en los diseños de bombas reciprocan tes. El descargador de la válvula de succión de la Fig. 3-44a da una reducción rápida pero gradual en el líquido entregado desde gasto máximo a gasto cero, en no más de una revolución de la bomba. El aumento se hace en la misma forma, y es accionado neumáticamente. La salida del transformador de carrera en la Fig. 3-44b, es infinitamente variable. Puede disponerse para variar el movimiento del émbolo manual o automáticamente desde cero a máxima carrera. Clasificaciones de Bombas de Vapor. Desde el punto de vista del 'tipo, el Instituto de Hidráulica, clasifica las bombas de vapor como simples, duplex, horizontales, verticales, simples (extremo de vapor) compuestas en tandem, manivelavolante, compuestas mixtas (sólo manivela y volante) y bombas comerciales, simples o duplex. En este capítulo se ilustran algunas de estas bombas. Las bombas comerciales son las bombas de vapor de pistón empacado del tipo de placa de válvula de acción directa, horizontales, con aditamentos normales del fabricante individual, de 30 cm de carrera más o menos. Las bombas de vapor pueden señalarse también por los materiales que se usan en 'su construcción. Las bombas con aditamentos de bronce (símbolo BF) tienen varillas de pistones de bronce (excepto el dispositivo de empaque del extre-
BOMBAS
RECIPROCAN TES
85
mo del pistón), pistones o émbolos de hierro, válvulas de bronce o recubiertas de hule, asientos de válvulas de líquido en bronce, así como protectores, resortes y cilindros de líquido en hierro o acero. Las bombas de pistón BF, incluyen cilindros de líquido con cubierta de bronce. Este tipo de bomba en el empaque del émbolo tiene huellas y empaques del émbolo con camisas de bronce. Las bombas con todos los aditamentos de bronce (símbolo FBF) tienen varillas de pistón en bronce (excepto el empaque del extremo del émbolo), émbolos o pistones para líquido de bronce, válvulas del líquido de bronce o hule, émbolos o pistones del líquido en bronce, válvulas del líquido de bronce o hule, asientos de las válvulas del líquido de bronce, protectores y resortes también de bronce, cilindros del líquido de hierro o acero. Las bombas FBF con empaque de pistón, incluyen cilindros encamisados en bronce. Estas mismas bombas incluyen cuellos y empaques de pistón encamisados en bronce. Las bombas resistentes a ácidos (símbolo AR) tienen todas sus partes en contacto directo con el líquido que manejan, hechas de materiales resistentes a la corrosión, con propiedades adecuadas a la aplicación específica. En bombas todas de bronce (símbolo AB), todas las partes de la unidad que están en contacto directo con el líquido que manejan se hacen de bronce. Las bombas totalmente de hierro (símbolo Al), tienen, todas sus partes, en contacto directo con el líquido, hechas de metal ferroso. Clasificación de Bombas de Potencia. El Instituto de Hidráulica clasifica las bombas de potencia como simples, duplex, triplex, múltiplex, horizontales y verticales. Se usan cuatro clasificaciones de materiales en el Instituto, para las bombas de potencia. Las bombas con aditamentos de bronce (símbolo BF) están formadas de varillas de pistón de bronce (excepto el extremo del empaque del émbolo) émbolos o pistones de hierro para líquido, válvulas para líquido de bronce o hule, asientos de válvulas de líquido, protectores o resortes de bronce, cilindros de hierro o acero para líquido. Las bombas del empaque de pistón BF incluyen cilindros para líquido encamisados en bronce, incluyen también cuellos y e~paques del émbolo encamisados en bronce. Los bombas totalmente con aditamentos de bronce (símbolos FBF) constan de varillas de pistones en bronce (excepto los extremos empacados del émbolo) pistones del líquido o émbolos de
86
BOMBAS - SU SELECCIÓ N Y APLICACIÓN
bronce, válvulas de bronce o hule para el líquido, asientos de válv ulas del líquido , protectores y resortes de bronce, cilindros de hierro o acero para líquido. Las bombas FBF ele pistón, incluyen cilindros recubiertos de bronce para líquido, mientras que las bombas FBF de émbolo, requieren empaques y cuellos del émbolo, encamisados en bronce. Las bombas resistentes al ácido (símbolo AR) tienen todas aquellas partes que entran en contacto con el líquido, hechas de materiales resistentes a la corrosión, con propiedades adecuadas para la aplicación específica. Las bombas todas de bronce (símbolo AB) tienen todas aquellas partes que entran en contacto directo con el líquido hechas en bronce. Las bombas todas de hierro (símbolo Al) tienen todas las partes que entran en contacto con el líquido hechas de material ferroso .
I 1
SEGUNDA PARTE Selección de Bombas
CAPÍTULO
4
COLUMNA DE UNA BOMBA
En el diseño de un sistema de bombeo hay muchos elementos que deben considerarse, no importa la clase o tipo de bomba que finalmente se escoja para la instalación. Estos elementos incluyen: columna, capacidad, naturaleza del líquido, tuberías, motores, y economía. De manera que, en general, una discusión completa de cualesquiera de estos factores se aplica igualmente a una bomba centrífuga que a una rotatoria o que a una reciprocan te. Luego, la columna de una bomba no se altera por la clase de unidad elegida. Las pocas excepciones que se presentan se limitan generalmente a un tipo particular de bomba y se señalarán en su oportunidad. En ocasiones no se da la importancia que merece, al concepto de economía de diseño que se origina en el proyecto y continúa durante toda su vida. Por ejemplo, un estudio cuidadoso de condiciones de columna y localización de la bomba puede producir ahorros apreciables en potencia, por un período largo sin aumentar substancialmente el cost::J inicial del proyecto. Una elección cuidadosa de tamaños de tubos, basada en cargas futuras predecibles o estimadas, es otro ejemplo de cómo puede hacer que un diseño cuidadoso produzca dividendos en cuanto a economías de operación. Así que, aunque este capítulo discute la columna de una bomba desde el punto de vista de hidráulica práctica, considera también cómo afecta la disposición elegida a la instalación en conjunto. TÉRMINOS Y DEFINICIONES La precisión en los términos es una parte necesaria en la elección de bombas, ya que sin ellos el ingeniero pronto se encuentra perdido en un mar de confusión. Por lo que respecta a las bombas, las normas del Instituto de Hidráulica son la mejor guía en cuanto a terminología. Las definiciones que se usan en este libro se basan en la práctica actual entre
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90
cuadrado kgj cm" , o como el númeto de metros de yqujdo que ejerce una presión igual sobre la misma superf¡c.I~ . altura de la columna del líquido que produce la pre.slOn en cuestión se conoce como columna sobre la superficie. Nótese que el peso del líquido que actúa sobre la superficie es lo que produ~e la presiónJ
los fabricantes de bombas y, en su mayoría, se ajustan a las recomendaciones del instituto.
\&!.
Presión. ~n los problemas de bombas, generalmente se consideran tres tipos de presión: absoluta, barométrica, y de columna. Se usa un cuarto términG, vado. cuando las instalaciones operan abajo de la presión atmosférica pero no es un término de presión en el mismo sentido que los primeros trE:§J La presión absoluta (Fig. 4-1) es la presión arriba del cero absoluto. Puede enCGntrarse arriba o abajo de la presión atmosférica existente en el punto de consideración. La presión barométrica es la presión atmosférica de la localidad estudiada, y varía con las condiciones de altitud y clima. La presión de columna es la presión a rriba de la atmosférica en la localidad en que se mide. Un vacío es una presión de columna negativa (Fig. 4-1).
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COLUMNA DE AGUA FRIA
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Aun cuando en muchos problemas de bombeo es posible trabajar en función de presiones de columna, hay algunos casos en los que el empleo de presiones absolutas da un mejor concepto de las condiciones existentes y simplifica los cálculos requeridos. La decisión en cuanto a qué unidades se usen, generalmente es cuestión de preferencia personal, y depende de la experiencia pasada del diseñador y de sus preferencias. Col umna. Una columna de agua u otro líquido en un tubo vertical desarrolla una cierta presión (fuerza por unidad de área) sobre la superficie horizontal en el fondo del tubo. Esta presión puede expresarse en kilogramos por centíme tro
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Cualquier presión abajo de 1" atmosférica Presión abSoluta
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
92
Considérese una columna vertical de agua fría (O a 27 °C) aproximadamente, con una altura de 10 metros. Un medidor de presión conectada en la parte inferior de la columna, mostrará una presión de 1 kg/cm 2 • Pero con una columna de gasolina, cuya densidad es de 0.75, se necesitan 13.30 metros de altura para producir la misma presión, 1 kg/cm 2 , en la base. Así, columna y presión son términos intercambiables, siempre y cuando se expresen en sus unidades correctas. Para convertir una a la otra, úsese la fórmula: Columna líquida, metros =
10 (presión kg/cm 2 ) d'd d enSl a
Puede usarse para esta conversión, si se desea, la Fig. 4-2. Esta figura muestra algunas otras unidades de presión, que algunas veces se usan en problemas de bombas. ("' Columna Estátical En las aplicaciones de bombasCgeneralmente se le llama a fii altura de la columna del líquido que actúa sobre la succión o descarga de la bomba, colu mna estática en la entrada o salida, y se expresa como un cierto número de metros de líquidO) La columna estática es la diferencia de elevación y puede-" calcularse para una variedad de condiciones que se encuentren en una instalación de bombeo. Presión de Vapor. Todo líquido, a cualquier temperatura arriba de su punto de congelación, ejerce una presión debida a la formación de vapor en su superficie libre. Esta
Columllll estática
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(b)
presión, conocida como preswn de vapor del líquido, es función de la temperatura del líquido : mientras más alta sea la temperatura, mayor será la presión de vapor. La presión del Tabla 4-1.
(e )
Términos usados en bombeo , para las columnas. (Cortesía de Vilúng Pu m.p Ca.)
P érdida de Fricción en el Tubo pa ra Agua .
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93
COLUM NA DE UNA BOMBA
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0.11 0.43 0.97 1..73 3.90
4.67 17.4 38.0 66.3 146
0.12 0.27 0.75 3.00 12.04
2.27 4.89 13.0 50.2 196
102 102 102 102 102
12.6 18.9 31.5 63.1 126
1.53 2.30 3.84 7.68 15.36
153 153 153 153 153
12.6 31.5 63.1 126 252
0.67 1.69 3.38 6.76 13.53
0.023 0.14 0.58 2.34 9.36
0.299 1.66 6.17 23.8 93.1
203 203 203 203 203
31.5 63.1 126 252 504
0.98 1.95 3.90 7.83 15.63
0.048 0.19 0.78 3.11 12.46
0.424 1.65 5.86 22.6 88.6
254 254 254 254 254
63 .1 189 315 473 631
1.19 3.59 5.97 8.99 11.98
0.073 0.66 1.82 4.11 7.31
0.497 4.00 10.8 24.0 42.2
305 305 305 305 305
126 315 631 941 1262
1.74 4.36 8.75 13.10 17.46
0.16 0.97 3.90 8.75 15.57
0.776 4.47 17.4 38.4 68.1
tub"
94
BOMBAS .- S U SELECCIÓN Y APLICACIÓN
~
vapor es un factor importante en las condiciones de succión de las bomuas que manejan líquidos de todos los tipos. En cualquier sistema de bombeo, la presión en cualquier punto nunca debe reducirse más allá de la presión de vapor correspondiente a la temperatura del líquido, porque el líquido forma rá vapor q ue puede, parcial o totalmente hacer que cese el fluj o del líq ui do en la bomba. Taula ·1 -2.
Coeficiente de
COdO
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normal K roscado d e 3 45 °· '?
roscad a
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U.82
l. 68 2A7
4,27
2,07 2.77 8,G6
4.88
4.27
3,3 5
I
0,70 1.40
GAO
5.49
7.93
G.71
9 .76
10.98
7,93 9.45
406.4
12.8L
10.67
457.2
14, 03 15.8G 19 .21 28.07
12 .20
254 304.8 355 .G
50R 609. G 9J 4.4
13, 11 16,lG 24 .09
0,52 1.06 1.55 2.13 2.71
0.39 0 .76 1.16
3.35 4 .27
2.35
5.18 G. lO 7 .01 8, 2:1 9,15
lO .37 12, 20 L8. 30
1.52 1..86
3,05 3.96 4.57 5.18 [;79 6.40 7 .01
Vá lvula
Vá lvula.
Eje de
de com ·
ue globo
balancín
p uerta abierto
abierta
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8,23
0.88
8.23 17.38 25.92 33,65 42.70
10.06 13.11 17.08 20.13 23.18
1.06
48.80
5.18
0.18 0 .36 0.52
6.71
0.70
1.77 3.35
26 .53
1.37
67,10
1.74 2.04 2.44
88.45
2.74 3.11
8.54
30.50 33.55 42.70
3.6G 4.27
13.11
61.00
G.IO
2.04 3.96
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103 .70 118.95
131.15 152.50 170.80 207.40 305 .00
Ú~ levación Estática de Succión. (Fig. 4-3a) Es la distancia verti cal, en metros, del nivel de suministÍ'o de líquido al eje central de la bomba , encontrándose la bomba arriba del nivel de sumini stro? Las distancias horizontales no se consideran como par te-de la elevación de succión estática, por lo que i'espcc t1i a elevación .
6.10 8.23 10.06
1220 16.16 20.43 24.40 28 .36 32.63
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R f~sistencia
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Tabla 4 -3.
20
10
96
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Columna Estática de Succión. Cuando la bomba se encuentra más abajo del nivel de suministro de líquido (Fig. 4-3b) existe una columna de succión estática. Numéricamente, es la distancia vertical en metros, entre el nivel de suministro de líquido y el eje central d(:l la bomba. Columna Estática de Descarga. Es la distancia vertical, en metros, del eje central de la bomba al punto de en t rega libre del líquido (Fig. 4-3). Debe tenerse cuidado que el punto de entrega libre se use cuando se calcula 13, columna de descarga. En algunos esquemas puede ser difícil determinar el punto exacto. Esto se discute con mayores detalles posteriormente en este mismo capítulo. Columna Estática Total. Como · se muestra en la Fig. 4-3, la columna estática total de una bomba, es la distancia vertical, en metros, entre el nivel de suministro y el nivel de descarga del líquido que se maneja. Columna de Fricción. Se mide en metros de líquido, y es la columna equivalente necesaria para vencer la resistencia de' las tuberías, válvulas y aditamentos del sistema de bombeo. La columna de fricción existe tanto en el extremo de succión como el de descarga de una bomba, y varía con la velocidad del líquido, tamaño del tubo, condiciól) interior del tubo, tipo de tubo y naturaleza del líquido que se maneja. La Tabla 4-1 señala las pérdidas de fricción para tamaños típicos comunes de tubos de hierro y acero forjado . Cédula 40. Si se desean tablas completas de pérdidas de fricción , se puede referir a las normas del Instituto de Hidráulica. La resistencia de los aditamentos de los tubos generalmente se expresan en función de la longitud equivalente de tubo recto de la misma dimensión del accesorio. La Tabla 4-2 da la longitud de tubo equivalente para algunos accesorios comunes que se usan en sistemas de bombeo. Columna de Velocidad. Un líquido que se mueve en un tubo a cualquier velocidad, posee una energía cinética debido él. su movimiento. La columna de velocidad es la distancia de caída necesaria para que un líquido adquiera una velocidad dada, y viene dada en la fórmula h ,. = v"j 2g, en donde hv = a columna de velocidad, m de líquido; v = velocidad del líquido, m por seg; g = aceleración debida a la gravedad = = 9.8 m por seg. Nótese que la velocidad del líquido en el punto que se considera debe substituirse en esta relación por la columna de velocidad.
COLUMN A DE UN A BOMBA
97
Dependiendo de la naturaleza de la instalación de bombeo, la columna de velocidad puede o no ser un factor importan te en la columna total de la bomba. Esta consideración se encuentra más adelante en el capítulo. Pérdidas de Admisión y Salida. Igual que un líquido que fluye en un tubo, existe una pérdida de fricción cuando un líquido entra al tubo de una fuente libre o sumergida, o descarga a una región similar. Las pérdidas que ocurren en la entrada del tubo se conocen como pérdidas de admisión mientras que las de salida se conocen como pérdidas de salida; en ambos casos, las pérdidas reducen la columna de velocidad en el punto que se considera. Para disminuir las pérdidas de admisión, generalmente se usa un tubo de succión acampanado. Para reducir las pérdidas de salida puede usarse un ahusamiento alargado en la salida del tubo. Igualmente, se presenta una pérdida cuando el líquido que fluye en un tubo pasa a un tubo de succión mayor o menor en forma abrupta. Las pérdidas en estos puntos, así como las de admisión y salida de un tubo, pueden expresarse como el producto de un coeficiente (cuyo valor depende del accesorio y su disposición) y la columna de velocidad del accesorio. La Tabla 4-3 señala los coeficientes para algunos accesorios que se usan en los sistemas de bombeo. Nótese que el coeficiente de la Tabla 4-3 y la velocidad correspondiene en el tubo, pueden usarse para determinar las pérdidas de columna causadas por un accesorio, en lugar de usar la longitud equivalente de la Tabla 4-2. Elevación de Succión. Numéricamente es la suma de la elevación estática de succión , la coiumna de fricción de succión y las pérdidas de admisión en el tubo de succión. Nótese que la columna de fricción en succión, incluye la fricción en el tubo y todos los accesorios en la línea de succión. Columna de Succión. Aun cuando la elevación de succión es una columna de succión negativa , la práctica común es usar el término elevación para una columna de succión negativa cuando la bomba toma su succión de un tanque abierto cuya superficie está expuesta a la presión atmosférica. La columna de succión, es la columna de succión estática menos la columna de fricción de succión y las pérdidas de admisión de la tubería de succión, más cualquier presión que se encuentre en la línea de succión. Nótese que el vacío en la línea
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
lo)
Fía. 4·4.
99
COLUMNA DE UNA BOMBA
98
(p I
Factores que intervienen en la columna total de una bomba (Cortesía de Viking Pump Ca .)
de succión, así como la del pozo caliente de un condensador, es una presión negativa y se suma algebraicamente a la columna de succión estática del sistema. Columna de Descarga. Es la suma de la columna de descarga estática, la columna de fricción de descarga y la columna de velocidad de descarga (Fig. 4-4b). ~9l umna Total. Es la suma de las columnas de elevación de succión y :le descarga. Cuando hay una columna de succión, la columna totctl de la bomba es la diferencia entre las columnas de descarga y de succión. Alguuos ingenieros usan elevación dinámica de succión, columna dinámica de descarga y columna dinámica total en lugar de los términos dados antes. Aun cuando la palabra dinámica ayuda a expresar la idea de movimiento, es decir, la columna cuando hay flujo de líquido, los términos más simples que se han dado antes, se considerarán más adecuados.
..
Curva de Fricción del Sistema. Las pérdidas de columna por fricción en un sistema de bombeo, son una función del tamaño del tubo, longitud, número y tipo de los accesorios, velocidad del flu- ~ jo del líquido y naturaleza de § Curva de fricción éste. La Fig. 4-4a muestra;3 del sistema -_ ...... fricción los elementos de tubería y accesorios que intervienen Capacidad en un sistema de bombeo tíCurva de fricción del sispico. Para un sistema dado, Fra. 4-5 . tema típico. las pérdidas en columna por fricción, varían aproximadamente igual al cuadrado de la velocidad del líquido en el sistema. Una gráfica de columna-capacidad (Fig. 4-5) lleva el nombre de curva de fricción del sistema. Tal curva pasa siempre por el origen de la gráfica debido a que, cuando no hay columna desarrollada por la bomba, no hay flujo en el sistema de tubería. G urva de Columna del Sistema. .t.E~t.a curva. (Fig 4-6), se obtiene combinando la curva de fnCClOn del sistema con o 200 '
Las gráficas de las condiciones en un sistema de bombeo existente o propuesto, pueden ser auxiliares importantes en el análisis del sistema. 1i Aun cuando se ha publicado mucho sobre el uso de curvas en conexión con hombas centrífugas, debe recordarse que el análisis gráfico puede adaptarse igualmente a bombas rotatorias y reciprocan tes.
10
40 I
60
180 50
160 140 .:;:'"
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fricción
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CURVAS DE SISTEMAS DE BOMBEO
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5
0
100
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300
400
600
-O
Capacidad, gpm
Fra . 4-6 . Curva de columna del sistema superpuesta sobre la curva de capacidad de columna d e la bomba.
la curva estática y con cualquiera diferencia de presión en el sistema . Superponiendo la curva HQ de la bomba sobre la curva de columna del sistema, se obtiene el punto para el
100
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
COLUMNA DE UNA BOMBA
101
Pérdidas de admisión : de tanque a tubo de succión de 254 mm = 0.5V2/2g Pérdidas de fricción en 61 cm de tubo de succión = P érdidas en codo de 90 grados de 254 mm en la bomba (equivalente a 7.62 m de tubo de 254 mm)
cual una bomba particular opera en el sistema para el cual se ha trazado la curv~) Así, en la Fig. 4-6, el punto A muestra una condición columna-capacidad para la bomba cuya curva HQ se ha trazado. El cambio de la resistencia para un sistema dado de tubería por medio de cierre parcial de una válvula o cualquier otra alteración, cambia la inclinación de la curva de columna del sistema. Así, en la Fig. 4-6, el ciefre parcial de una válvula en la línea de descarga, produce la curva artificial de columna del sistema que se muestra, cambiando el punto de operación a una columna más elevada pero con menor capacidad. La abertura de la válvula tiene el efecto opuesto.
=
.061 Pérdidas de fricción en 914 m de tubo de descarga de 203 mm = 22.720 P érdidas en válvula de compuerta completamente abierta (equivalente a 1.52 m de tubo de 203 mm .037 P érdidas de salida de tubo de 203 mm al tanque V 2/2g .159 =
=
= 23.01 m
P érdidas totales de Íricción
25 50 100 lps FIC.
75
4-7. El evación nula ; toda la columna es fricción . ( Cort esía de Peerless Pump Divísion. Food Machiner y and Chemical Corp.)
Las pérdidas de fricción con otros gastos, se pueden calcular como se ha mostrado, y señalar gráficamente para obtener la curva de columna del sistema, mostrada en la Fig. 4-7. Si todas las pérdidas en este sistema se desprecian con la excepción de las de fricción en el tubo de descarga, la columna total no habrá de cambiar apreciablemente. Sin embargo, esto no es cierto de todos los sistemas de bombeo, según se verá en seguida. !l
"""T
Uso de Curvas. Para seleccionar una curva apropiadamente para una aplicación dada, debe usarse por lo menos un punto de la curva del ~istema de columna. Para algunas aplicaciones, pueden usarse d(}s o más puntos para obtener la disposición más económica. Excepción hecha de los dos primeros ejemplos que siguen, solamente se toman en cuenta las pérdiJas resultantes de la fricción en la tubería. En la práctica, cada aplicación qebe comprobarse para determinar la magnitud de las diversas pér- ' , didas hidráulicas. Una vez que se conoce la magnitud,puede tomarse una decisión en cuanto a qué pérdidas pueden despreciarse en los cálculos de la columna del sistema. Elevación Nula. ' Cuando no hay elevación estática en un sistema de . bombeo (Fig. 4-7) . La curva de columna del sistema se inicia en cero gasto y cero columna. Para un gasto de 56.8 lps en esta instalación, las pérdidas de fricción se calculan como sigue:
.031 m .006
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9
0.6
13
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3
s
O
o
I
300
1 --1-.
600 Ips
900
4·8. Elevación máxima ; columna de fricción reducida. (Cortesía de Peerless Pump Division. Food Machin ery and Ch emical Corp.)
FIC .
Columna Estática Pdncipalmente, Poca Fricción. La curva de columna del sistema (Fig. 4-8) para las instalaciones de bombas verticales mostrada, comienza en el punto de columna de estática total, 4.58 m y cero flujo. Puesto que el tubo de descarga es solamente de 6.10 m de longitud y no hay tubo de succión , se puede suponer que las pérdidas de fricci ón son muy pequeñas comparadas con la columna estática total. Para un flujo de 945 lps, las pérdidas son:
102
COLUMNA DE UNA BOMBA
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Fricción en 6.10 m tubo de 61 cm Pérdidas de descarga en tubo de 61 cm al tanque V 2jg
=
Pérdidas totales de fricción
distintos de gasto, se pueden obtener suficientes puntos para dibujar la curva de columna del sistema:
= 0.12 m = 0.48 = 0.60 m
A 315 lps las pérdidas de fricción en 305 m con 7.55 m tubo de 41 cm A 455 lps las pérdidas de fricción = columna de = 15.50 m gravedad obtenible = 45.70 m A 820 lps pérdida de fricción
Luego, casi el 90 por ciento de la columna total de 5.18 m a 945 lps de gasto es estático. Pero el despreciar las pérdidas de fricción y descarga puede resultar en un error apreciable en la selección de una bomba para esta aplicación. Sistema Típico. Aun cuando los sistemas de bombeo varían de una aplicación a otra, en la Fig. 4-9 se muestra una disposición común, en las que tanto la columna de fricción como la estática son apreciables. La curva de columna del sistema se asemeja a la de la Fig. 4-7, con la adición de la columna estática.
Diferentes Tamaños de Tubo. Aquí (Fig. 4-11) las pérdidas de fricción contra gasto se dibujan independientemente para los dos tamafios de tubo. Para cualquier valor de gasto las pérdidas totales por fricción en el sistema es la suma de las pérdidas de las dos líneas. Luego, la curva combinada de columna deÍ sistema representa la suma de la columna estática y las pérdidas por fricción ¿n todas las partes de la línea. A 95 lps, las pérdidas de fricción en 61 m. en = 1.55 m tubo de 102 mm A 95 lps, pérdidas de fricción en 61 m. tubo de 76 mm 5.78m Columna estática total para los tubos de 102 y %mm =~m
=
L'--_____ FIG. 4-9 . Pérdidas por fricción comparables con la columna de elevación. (Cortesía de Peerless Pump Diuision , Food Machinery and Chemical Corp.)
Dos Columnas de Descarga. Las curvas de columna del sistema (Fig. 4-12) se pueden dibujar independientemente para los dos tubos cuando las columnas son diferentes. La curva de columna del sistema se obtiene agregando los valores de gasto para los dos tubos con la misma columna:
.Columna de Gravedad. Con la instalación de la Fig. 4-10, puede obtenerse gasto hasta de 450 lps sólo por columna de gravedad. Para obtener gastos mayores, se necesita una bomba que venza la fricción en la tubería entre los tanques. Al calcular las pérdidas de fricción para tres valores
A 34.6 lps las pérdidas de fricción en 305 m en tubo de 20.3 cm A 72.8 lps las pérdidas de fricción A 72.8 rp~ la fricción + elevación en la línea 1 = 11 .57 + 15.5 A 34.6 lps la fricción + elevación en la línea 2 = 3.05 + 23.7
30
r~
lS m ..1...- _ _
,de 405 mm
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a ~
15
<:
~
8
= 10.38 m
Columna total a un flujo de 95 lps
Gasto
=:
3.05m
= 11.57 = 26.8 = 26.8
O
300 600 ¡ps
900
FIG. 4-10. Elevación negativa (columna de gravedad) . (Cortesía de P eerless Pump Diuision , Food M achinery and Chemical Corp.)
..'
Por lo tanto, el valor del gasto para el sistema total o combinado con una columna de 26.8 m, es de 34.6 + 72.8 = = 107.4 lps. Así que para producir un galsto de 107.5 lps con un sistema así, es necesaria una bomba capaz de producir una columna de 26.8 m.
104
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
3m
,
-.l..
105
COLUMNA DE UNA BOMBA
punto en que opera la bomba. La forma o inclinación tanto de la curva de columna del sistema como la curva HQ de la bomba son significantes en algunas aplicaciones, según se muestra en los siguientes ejemplos.
60m de 76 mm 60m
L:..J9~;;:V rle 102 mm
o
3
6
9
Ipo
FIG . 4-11. Sistema de dos tamaños diferentes de tubería. (Cortesía de Peerless Pump Division, Food Machinery and Chemical Corp.)
Gasto Desviado. En este caso (Fig. 4-13) se supone que se deriva una cantidad constante en un punto intermedio. Las pérdidas de fricción contra el gasto se dibujan en la forma normal para la línea 1. La curva para la línea 3 se FIG. 4-13. Parte del gasto derivado del principal. (Cortesía de Peerless Pump Division, Food M achinery and Chemical Corp.)
37.5
t
::rr1 ,
23.4 m 300 m de 203 mm
~o
!J El 22.5
" Q
§ 15
;3
Curva del sistema combinado
7.5-
Ips 9
12
4-12. Sistema con dos columnas distintas de descarga. (Cortesía de Peerless Pump Division, Food Machinery and Chemical Corp.) FIG.
desplaza a la derecha de la columna cero por una cantidad igual a Q2, puesto que esto representa la cantidad que pasa por las curvas 1 y 2 pero no por la curva 3. La curva de columna de sistema combinada se obtiene agregando para un gasto determinado, las pérdidas de columna para las curvas 1 y 3. Supóngase que Q2 es de 19 lps, la curva 1 tiene 155 mts de tubería de 25 cm y la curva 3 tiene 15.50 mts de tubería de 15 cm. A 94.7 lps en la curva 1, las pérdidas de fricción = 3.36 mts Pérdidas de fricción para la curva 3 (73.7 lps flujo) . . . . .. . . . . . .. .. .. . . 2.45
Pérdidas de fricción totales para 94.7 lps .
5.80 mts
Punto de Operación. Según se ha visto antes (Fig. 4-6)" . el sobreponer la curva HQ de columna del sistema muestra el
Desgaste de la Bomba. Cuando una bomba sufre desgaste se tendrá con toda seguridad una pérdida tanto en capacidad como en eficiencia. La cantidad de pérdida para un desgaste determinado, sin embargo, depende mucho de la forma de la curva de columna del sistema. Según lo muestra la Fig. 4-14 para una bomba centrífuga, la pérdida de capacidad es mayor para un desgaste determinado si la curva de columna del sistema es aplanada, comparada con una curva muy Inclinada. Curva del sistema inclinada
_......
"Curva del sist.ema aplanada
J/ de columna-capacidad del sistema
"
Curva de columna-capacidad del s istema
'<"~e la bomba desgastada
~. Pérdidas de capacirlad (curva del s istema inclinndo)
~-- 'Pérdidas
de capacidad (curva del sistema plana)
Gasto
FIG. 4-14. Efecto de desgaste de las bombas sobre la capacidad. (Cortesía de Peerless Pump Division, Food Nlachinery and Chemical Corp.)
Punto de Corte. Una característica de las bombas centrífugas de baja velocidad específica es una curva relativamente plana HQ en capacidad cercana al corte. Ocasionalmente es necesario elegir una bomba de este tipo debido a que la aplicación puede necesitar una bomba de alta columna y bajo gas-
106
COLUMNA DE UNA BOMBA
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
too (Ordinariamente, las bombas son capaces físicamente de operar continuamente cerca de su punto de corte). En este caso , la curva del sistema debe ciertamente examinarse . antes de que la bomba sea especificada debido a que es posIble que una bomba rotatoria o reciprocante pueda ser la mejor elección desde el punto de vista de confianza de operación. La Fig. 4-15 muestra que una curva de columna del siste-
o
107
senta la necesidad de operar una bomba en o cerca de esta depresión. La curva de columna del sistema, representa una gran ayuda para determinar si el comportamiento de la bomba bajo estas condiciones será satisfactorio hidráulicamente hablando. Columna-capacidad de la boml:¡a
Curvas del sistema
i
r----~------------~~s:::::;
, Curva del sistema inclinada -Curva del sistema aplanada
:
~
, Curva de colwnna·capacidad del sistema
: 1,
Colunlna estática
baja
Región de operación ..
Eficiencia de la bomba
~~~~---------------------------Gasto
Columna estática alta "Curva de eficiencia de la bomba I
~
FIG . 4-17 . Variaciones en columna del sistema. (Cortesía de Peerless Pump Diuision, Food Machinery and Che mical Corp.)
Gasto
FIG. 4-15. Bomba de baja velocidad específica cerca del corte. (Cortesía de P eerless Pump Diuision , Food Machinery andChemical Corp.)
ma, aplanada y baja en combinación con una curva de bomba aplanada, puede producir dificultades de operación si la bomba se encuentra ligeramente fuera de su columna-capacidad o si la curva de columna del sistema se calcula ligeramente abajo. Con una curva de columna de sistema inclinada, no es de esperarse que se presenten dificultades de operación. _ Curva del sistema inclinada ·Curva del sistema aplanada Curva de columna-capacidad
Supóngase que A (Fig. 4-16), es el punto de operación deseado para una condición transitoria determinada de columna elevada. Con una curva muy inclinada de columna del sistema, no se presentarán dificultades. Pero una curva del sistema, bajo que intersecte la bomba a la curva de la bomha en tres puntos puede resul tar en una operación poco sa tisiactoria si la bomba es inestable en estas tres capacidades. Cambios de Columna. La demanda de un sistema puede variar como resultado de cambios en los niveles de succión o de descarga o de un incremento de fricción en la tubería por aumento de la rugosidad de los tubos. Las condiciones .que muestran en la Fig. 4-17, en donde la columna estática varía rep~esentan una región favorable de operación por lo que res-
Gasto
FIG. 4-16. Bomba de alta capacidad específica cerca de la depresión (Cort esía de P eerles Pump Diuision, Food Machinery and Ch emical Corp .)
VeJocidad Específica Alta. Como característica de algunas bomba..'l centrífugas de alta velocidad específica se tiene una depresión en la curva HQ a capacidades menores de las correspondien '~es a máxima eficiencia. Ocasionalmente se pre-
Operación de una sola bomba Dos bombas en paralelo Dos bombas en serie
FIG. 4-18.
Operación en paralelo o serie. (Cortesía de Peerless Pump Diuision, Food Machinery and Chemical Corp.¡
108
o
-;¡; o -e f.01
,
Curva del Una bomba
,,
Dos bombas en pa ralelo
Ga.te
Frc. 4-19. Operación de bombas en paralelo. (Cortesía de Peerless P ump Division, Food Machin ery and Chemical Corp.)
pecta a la eficiencia de esta bomba en particular. La Fig. 4-17 que muestra también la magnitud de la caída en el gasto del sistema cuando se presenta una condición de columna elevada. , ~ peración en Paralelo o en Seriel Cualquier tipo de coneXlOn o cualquier _clase de bomba puécie presentar problemas. Frecuentemente ;~uando la demanda es excésivamente variable, pueden operarse dos o más bombas en serie o en paralelo para satisfacer la demanda alta, usando una bomba para las demandas baja~Para especificar correctamente las bombas y . juzgar su comportamiento bajo varias condiciones, debe usarse la curva de columna del sistema en umon de las curvas de comportamiento de las bombas compuestas. ( Para bombas en serie~~ Fig. 4-18)Lel comportamiento se obtiene agregando las columnas a la misma capacidad. Cuando las ~ombas operan en paralel0.)(Fig. 4-18 y 4-19 }[el comportamlent.Q se obtiene agregando las capacidades para la misma columna) El superponer la curva de columna del sistema sobre la de comportamiento de la bomba indica claramente los gastos que pueden esperarse y las columnas a que operará cada bomba. Este problema se discute con mayor detalle en el'. Cap. 7. COLUMNA NETA DE SUCCIóN POSITIVA De acuerdo con los ingenieros de aplicación, S8 presentan mayor número de dificultades debidas a la determinación incorrecta de la columna de succión positiva neta (cspn) que de cualquier otra causa. Las dificultades con la cspn pueden reducir la capacidad y la efi ciencia de la bomba, llegando a producir daños por cavitación. Pueden también causar problemas severos de operación, reduciendo la efectividad de la planta.
109
COL UMN A DE UN A BOMBA
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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Presión de vapor y densidad del agua a varias temperatu ras . (Cortesía de Worthington Corp.)
Presión de Vapor. Los líquidos, a cualquier temperatura arriba de su punto de congelación, tienen una presión de vapor correspondiente que debe considerarse cuando se calcula un sistema debombeo. La Fig. 4-20 muestra la presión de vapor para agua a varias temperaturas. La reducción de la presión en el tubo de succión de una bomba más abajo de la presión de vapor del líquido, puede causar vaporización, es decir, formación de vapor del líquido. Puesto que una bomba para líquidos de diseño ordinario no puede bombear únicamente vapor, el flujo del líquido a la bomba se interrumpe y se dice que la unidad se encuentra "en vapor". El método más comúnmente usado para evitar esta condición es el dar suficiente columna a la succión de la bomba para que la presión en el t ubo de succión sea siempre mayor que la presión de vapor líquido que se maneja. CSPN Disponible. Esta es una función del sistema: la columna de succión o elevación, columna de fricción , y la pre'sión del va por del líquido que se maneja. Dependiend o de las condiciones de la aplicación, la cspn de que se dispone puede alterarse para conformarse con la que requiere la bomba para su operación satisfactoria, si pueden hacerse cambios
110
111
COLUMNA DE t.:NA BOMBA
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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FIG. 4-21. Cspn requerida para bombas turbinas de diseño convencional. (Cortesía de Aurora Pump Division, Th e New York Air Brake Co.)
40 20
en la t ubería, nivel de suministro del líquido, etc. Así pues, alterando la disposición física de una instalación, es posible controlar una fase de la cspn disponible. Pero la presión de vapor del líquido no puede cambiarse sin aumentar o disminuir la temperatura del líquido; y esto no es siempre factible. Por lo tanto, puede ser un obstáculo para la alteración de la cspn. CSPN Requerida. Esta es una función del diseño de la bomba y varía de una marca de bomba u otra, y entre diferentes modelos de una sola marca, así como con la capacidad y velocidad de una bomba dada. Luego, aun cuando la cspn disponible es fácil de calcular para unas condiciones conocidas, la requerida para una bomba particular puede obtenerse del fabricante. El fabrica.nte puede suministrar gráficamente las características cspn para una bomba dada sobre una curva de operación. La Fig. 4-21 muestra una curva de ese tipo para una bomba de turbina, mientras que la Fig. 4-22 muestra cómo las características de cspn pueden dibujarse sobre una curva de características típicas de una bomba centrífuga. Nótese que en ambos casos, la cspn es la presión disponible o requerida para forzar un gasto determinado, en litros por segundo, a través de la tubería de succión alojo del im-
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FIG. 4-22. Curvas características para una bomba centrífuga de por 10 cm 1750 rpm. (Cortesía de Allis-Chalmers Mlg . Co.)
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pulsor, cilindro o carcasa de una bomba. Para uniformidad, la cspn viene dada en metros del líquido manejado equivalentes a las presiones en kilogramos por centímetro cuadrado requeridos para forzar el líquido de la bomba. Los valores dados por el fabricante de la bomba se basan en pruebas y están corregidos regularmente al eje central de la bomba. Cuando el nivel de suministro del líquido se encuentra arriba de la línea de centro de la bomba, y la superficie del líquido expuesto a la atmósfera, la cspn es la suma de la presión barométrica más la columna de s ucción estática menos las pérdidas de columna de fricción en el tubo de succión y la presión de vapor del líquido; todos expresados en metros del líquido manejado. Cuando la alimentación de la succión se hace de un tanque o recipiente cerrado, hay que substituir la presión del tanque por la presión barométrica (un vacío se expresa como presión negativa). La presión del tanque debe convertirse a metros de líquido manejado antes de que pueda intervenir en la ecuación de la cspn.
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112
Cuando la alimentación del líquido se encuentra abajo de la bomba en un tanque abierto a la atmósfera la cspn es la diferencia entre la presión barométrica y la suma de la elevación de succión estática + las pérdidas de columna de fricción en la tubería de succión + la presión del vapor del líquido. Todos se expresan en metros del líquido bombeado.
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La Fig. 4-23a muestra las condiciones de este problema. Al nivel del mar y presión atmosférica normal, 1.03 kg/cm 2 , la elevación de succión estática máxima teórica es de 10.33 m cuando la bomba maneja agua fría (por conveniencia, esto se redondea normalmente a 10.00 m. Conforme aumenta la altura sobre el nivel del mar disminuye la presión atmosférica, reduciendo la elevación de succión estática teórica. P ero conforme la temperatura del agua aumenta sobre 4 °C, su punto de máxima densidad, la velocidad disminuye. Así que altura sobre el nivel del mar én la que maneja agua caliente, e inclusive al nivel del mar, es necesaria una corrección para determinar la elevación de succión estática teórica máxima. Tabla 4-4.
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113
COLUMNA DE UNA BOMBA
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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FIG. 4-23 , Dos ejemplos d el cálculo de la cspn.
Cuando el suministro de líquido viene de un tanque o recipiente cerrado abajo de la bomba; la presión del tanque se usa en lugar de la presión barométrica. Debe conveltirse a metros equivalentes de líquido, sin embargo, antes de substituir la de la ecuación para cspn. El Uso de CSPN. Supóngase una bomba en una planta a 457 m sobre el nivel del mar que requiere 3.05 m cspn , manejando agua a 66 °C a capacidad nominal. ¿Cuál es la elevación de succión permisible de esta unidad si las pérdidas de fricción de admisión y succión son 1.53 m de líquido?
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I De la Tabla 4-4 la SUCCIOn teórica ma:nma posible con agua fría a 457 m de altura sobre el nivel del mar es de 9.75 m. Sin embargo, el agua a 66 °C tiene una densidad de 0.981 (Fig. 4-20). Luego la elevación teórica máxima con aguas a G6 °C y a 457 m de altura es de 9.75/0.981 = 9.95 m de agua. AL construir la gráfica de escala (Fig. 4-23a) la elevación de succión permisible, si existe, es una función de la eleva-
114
COLUMNA DE UNA BOMBA
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
bombeo, la cspn debe de calcularse usando los datos correspondientes a los datos específicos que se tratan. Aun cuando se ha usado agua para estos ejemplos, debe recordarse que la cspn interviene como factor independientemente de cual sea el líquido que se maneja. Esto se discute más adelante, en el Cap. 6.
ClOn teórica maXIma, cspn requerida, pérdidas por succión y presión del vapor del líquido a la temperatura de la entrada de la bomba. Dibújese a escala la cspn requerida, 3.05 m (Fig. 4-23a) luego, dibújese las pérdidas por succión, 1.53 m. La presión del vapor del agua 66 o C es 2.69 m (Fig. 4-20). Dibújese esta magnitud como se muestra. La distancia restante, 2.71 m, es la elevación de succión máxima permisible bajo las condiciones existentes. El uso de una elevación mayor resul. taría en vaporización parcial o completa de la bomba, depen. diendo de una serie de factores . .2
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FIG. 4-26. Vacío existente en el punto de vaporización. (Cortesía de Allis-Chalmers migo Ca.)
Reducción de Capacidad. Conforme disminuye la cspn para una bomba dada, su capacidad se abate. En la Fig. 4-22, la operación en cualquier punto a lo largo de la elévación de succión de 6.10 m, la línea de 3.95 m de cspn da un gasto
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FIG. 4·24. Efecto de una columna de SUCClOn baja sobre el rendi· miento de una bomba de turbina típica. (Cortesía de Aurora Pump División, The New York Air Brake Ca.)
Si una bomba similar a la misma elevación sobre el nivel del mar tiene las mismas pérdidas de succión y admisión pero maneja agua de 81°C y tiene una cspn requerida de 4.60 m, la iFg. 4-23b muestra que la columna de succión estática de 1.22 m de agua es la requerida. En otras palabras, esta bomba no dará el rendimiento garantizado a menos que se mañtenga una columna estática en su tubo de succión. Estos dos ejemplos ilustran la importancia de cálculos cuidadosos cuando se trabaja con cspn. Aun cuando pueden hacerse aproximaciones para otras columnas en un sistema de
FIG. 4-27 . Cavitación en un im- FIG. 4-28. Picadura que acompapulsor de bomba centrífuga. (Cor- ña la cavitación en una bomba tesía de Allis·Chalmers mlg Ca.) centrífuga. (Cortesía de AllisChalmers migo Co.)
116
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
que varía desde un pOCO arriba de 44 lps a un poco abajo de 50 lps. Pero cuando la cspn disponible es de sólo 2.44 m y la elevación de succión de 7.60 m (Fig. 4-22), la capacidad baja hasta la región de 31 lps. La Fig. 4-24 muestra un efecto similar para una bomba de turbina. Como puede verse, la reducción de cspn disponible ya sea en una bomba pequeña o grande puede tener un efecto fundamental sobre la capacidad del sistema. , Cavitación. Con una elevación de succión anormalmente alta o cspn insuficiente, puede ocurrir la cavitación en la instalación de bombeo. En las Figs. 4-25 a la 4-28 se ilustran los pasos que producen este fenómeno. El proceso exacto es generalmente mucho más complejo, pero estas ilustraciones sirven para dar una idea de lo que se presume que ocurre durante la cavitación de una bomba centrífuga. Cuando la' bomba opera con una elevación excesiva, se desarrolla una presión de succión baja en la entrada de la bomba (Fig. 4-25) la presión disminuye hasta que puede crearse un vacío y el líquido se convierte en vapor si la presión del tubo es más baja que la presión del vapor del líquido. El flujo de líquido en la bomba desaparece (Fig. 4-26). Esto se conoce como punto de corte debido a que se ha alcanzado el límite de la capacidad de la bomba con esta presión de entrada. La bomba se acerca ahora a condiciones ' de operación que pueden causar daño. . . , e uand" la presión de entrada está a punto de alcanzar el punto de vaporización, las bolsas de vapor forman burbuj.as en el lado posterior del álabe impulsor, cerca de su base (Flg. 4-27) . Conforme una burbuja se mueve del área de baja presión en la admisión en el área de alta presión cerca del extremo del álabe, la burbuja desaparece (Fig. 4-28). Se deshace tan rápidamente que el líquido golpea el álabe con fuer7.a extrema, a veces lo bastante fuerte para descascarar pequeñas partículas del impulsor . . El daño generalmente se llama picadura, y el ruido que se oye en el exterior de la bomba ~u rante la cavitación es causado por el colapso de las burbujas de vapor. Aun cuando esta descripción se aplica especialmente a bombas centrífugas, puede ocurrir una condición similar en bombas rotatorias y reciprocan tes. Una elevación de succión excesiva, cspn insuficiente a una operación a velocidad excesiva son causas comunes de cavitación. Las dificultades más
COLUMNA DE UNA BOMBA
117
comunes derivadas de la cavitación son picadura, vibración y ruido. Aun cuando la cavitacÍón severa viene generalmente acompañada por ruido excesivo y daños a la bomba, una ca~ vitacÍón moderada puede no producir más que una pequeña redución en la eficiencia de la bomba y desgaste moderado de las partes de la bomba. Puesto que cualquier bomba puede sufrir cavitación, debe tenerse cuidado en la selección de unidad y planificación de la instalación. Para las bombas centrífugas, Fairbanks, Morse and Co. recomienda que se eviten las cinco condiciones si-
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guientes hasta donde sea posible: (1) columnas mucho más bajas que la columna de máxima eficiencia de la bomba, (2) capacidad mucho mayor que la capacidad de máxima eficiencia de la bomba, (3) elevación de succión mayor o columna positiva menor que la recomendada por el fabricante, (4) temperaturas de líquido mayores a las de diseño u originales del sistema, y (5) velocidades más altas que las recomendadas por el ,fabricante. 100
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119
COLUMNA DE UNA BOMBA
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓ N
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Para bombas del tipo de impulsor, la firma mencionada recomienda evitar: (1) columnas mucho mayores que las de máxima eficiencia de la bomba, .(2) capacidad mucho menor que la capacidad de máxima eficiencia de la bomba, (3) ele- . vación de succión mayor o columna positiva menor que las recomendadas por el fabricante, (4) temperaturas del líquido más altas de las de diseño original del sistema, (5) velocidades mayores que las recomendaciones del fabricante. Velocidad Específica. En bombas \centrífugas, la elevación de succión está relacionada con la velocidad específica de la unidad. Las pruebas demuestran que para una región dada de velocidad específica, hay una relación entre columna, capacidad y elevación de succión segura para varios tipos de bombas. Las Figs. 4-29 y 4-30 muestran las recomendaciones del Instituto de Hidráulica para los límites superiores de velocidad específica para ciertos tipos de bombas centrífugas. '. Estas curvas son útiles para comprobar la adaptabilidad de ')lna bomba elegida de las tablas de características o de las curvas de catálogo del fabricante, y para verificar las recomendaciones de una bomba ofrecida en una proposición. Ejemplo : ¿Cuál es el límite superior de la velocidad específica de una bomba centrífuga de un paso y doble succión, con una flecha que pasa a través del ojo del impulsor si maneja agua clara a 29 °C, al nivel del mar y con una columna total de 85.2 m cuando la succión es de 3.05 m? Solución: Se entra en la parte inferior de la Fig. 4-29 a 85.2 m de columna total proyectando verticalmente hacia arriba hasta que se hace la intersección con la curva de elevación de succión de 3.05 m . A la derecha de la velocidad específica se lee 68. Esta es la velocidad específica máxima segura para este tipo de bomba bajo las condiciones señaladas. Cualquier unidad que se proponga con una velocidad específica mayor deberá de rechazarse como inadecuada para esta aplicación pa rticular. La Fig. 4-30 se usa en la misma .forma.
Perfiles tlpico.
SIFONES ___
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Flujo mixto (abierto)
Flujo Axial o impulsor
FIG. 4-30. Límites de velocidades específicas <:1 ulJ",nun,,, "",gun el Instituto de Hidráulica pa ra bombas de un solo paso de succión símple y fluj o axial o mixto (agua clara a 28 °C al nivel del mar) . (Cort esía de Worthington Corp .)
Una forma de reducir la columna total sobre una bomba durante su operación, es usando un sifón en la línea de descarga. La Fig. 4-31 muestra un arreglo de sifón típico para tubería de agua de circulación de condensador. Con un circuito adecuado, un sifón puede reducir la potencia requerida para manejar un gasto específico, y puede, en algunos casos, permitir el uso de una bomba de menor capacidad. Requisitos. Para asegurarse resultados específicos de una
120
BOMBAS - SU SELECCIÓj\T y APLICACIÓN"
instalación de sifón, el arreglo de bomba y tubería debe reunir ciertos requisitos que no siempre son completamente obvios. Éstos se relacionan con la capacidad de la bomba, velocidad del líquido en el tubo, construcción de la tubería y profundidad de sumergido del tubo de descarga. Para iniciar el flujo a través de un sifón, el punto más alto o cresta, debe estar lleno con agua en la totalidad del diámetro del tubo de m\anera que el aire que se encuentra en la pierna de descarga se expela hacia la atmósfera. La experiencia muestra que la velocidad del líquido más allá de la cresta debe ser por lo menos de 1.53 m por segundo. Esta velocidad, combinada con un gasto suficiente para llenar la sección transversal del tubo en la cresta, asegura condiciones de cebado adecuadas. Además de dar este gasto, la borpba debe poder desarrollar una columna igual a la de la elevación de la cresta, más cualesquiera pérdidas incidentales al sistema de la tubería. t
Nivel de agua alto 36.5 mis de la ~uilla 35.60 mis
121
COLUMNA DE UNA BOMBA
debido a que se asemeja y tiene efectos similares a la vaporización que se presenta en un tubo de succión de una bomba. Aun en los casos en que la presión en la cresta e·xceda a la presión de vapor del líquido, puede existir aim o vapor de la cresta si el sifón no está diseñado correctamente. La mejor protección es una válvula automática de alivio en el punto más alto del tubo para evitar burbujas de aire. , Puesto que la presión en la cresta del sifón puede ser menor que la atmosférica, el tubo debe ser completamente hermético. De otra manera, el aire puede introducirse en el tubo y acumularse en la cresta. Así también, el tubo debe ser capaz de soportar la carga de la presión externa de la atmósfera. Con una presión interna menor que la atmosférica , la presión externa tiende a deprimir las paredes del tubo hacia adentro. Para asegurar la mejor operación el extremo del tubo de descarga debe sumergirse en una profundidad de por lo menos un diámetro del tubo, dentro del líquido. Esto evita la entrada del aire. Una descarga en forma de campana (Fig. 4-31) reducirá las pérdidas de descarga del tubo y permitirá recobrar la mayor parte de la columna de velocidad del líquido. Tabla 4-5 .
Asistencia del Sifón.
Columna estática al arrancar la bomba .. . . . . .. H Asistencia de bombeo . . .. .... . .... . ......... 0.75-0.85 Columna estática de bombeo .. .. , ... , H - (0.75-0,85)
Túnel de Túnel de admisión descarga
FIG. 4-31.
Condensador con arreglo de sifón. (Cort esía de AllisChalmers Mlg. Ca .)
Para evitar la vaporización del líquido en la cresta del sifón, la presión en este punto debe exceder a la presión del vapor del líquido que se maneja, una vez que se ha cebado el sifón. En otras palabras, el líquido no debe fluir del tubo de descarga tan rápidamente que se presente una presión 'excesivamente baja en la cresta. Si esto sucede, y la presión del tubo es menor que la presión de vapor del líquido, comienza la vaporización. Tal condición se llama a veces cavitación,
Ayuda por Sifón. Al nivel del mar, la asistencia máxima que puede proporcionar un sifón es teóricamente de unos 10 m de agua. El valor teórico exacto depende de la temperatura del agua y de la presión atmosférica existente. Para otros líquidos, la asistencia máxima se ve afectada por la densidad del líquido, con respecto al agua, además de temperatura y presión atmosférica. Desde el punto de vista prácBomba" tico, el valor teórico de la asistencia máxima puede obtenerse en la Tabla 4-5, usando los valores mostrados en la Fig. 4-32. Cálculo de Sifones. La FIG. 4-32. R e l ' d e co1umna . aClOnes Fig. 4-31 muestra una dispod e un s ifón.
122
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APUCACIÓN
sición de sifón para un condensador de vapor en una planta de potencia. Sin embargo, el arreglo general mostrado podría usarse para cualquier aplicación industrial en donde sea conveniente un arreglo de sifón. La única diferencia estaría en el cambio de las pérdidas de columna por los aparatos alimentados del sifón. Ejemplo : Calcular la columna total en el sistema de sifón mostrado en la Fig. 4-31 para un flujo de 567 lps y pérdidas de fricción del condensador de 4.18 mts de agua, con un diámetro de succión de 61 cm y el mismo diámetro de descarga . • Soluci.ón : Co~o lo muestra la Fig. 4-31, el nivel de agua baja del rlO de ahmentaclOn se encuentra abajo del eje central de la bomba y el nivel de agua alta se encuentra arriba del eje central de la bom~ bao Primero, considérense las columnas para las condiciones de agua baja: Concepto m de agua Columna de fricción : Condensador .. . .. . . . . . .. ......... . . .. ........ . . 4.18 Tubería: 23 m de tubería de 61 cm, cuatro codos de 90 grados, tres válvulas de compuerta, de 61 cm . .. . . ............ . ... . ....... . . . .... . . . 0.70 Columna de velocidad ... ......... : ... . ............ . 0.19 Elev.ación de succión estática 2.44 Columna de desCarga estática' (~j~ '~e~t~~i 'd~ 'l~' b~~b~ a eje central de la boquilla de descarga del condensador) .... . ... . ....... . . .. . . . . ..... . . .. .. . .... . 2.54 Ganancia en columna estática del efecto de sifón (esto se mide de la boquilla de descarga al nivel del agua en el tubo de descarga) .......... . . ...... ... . . .. . -4.96 Pérdidas del sifón (supuestas) .. . ...... ....... ... . . . 0.50 Pérdidas de admisión y descarga (supuestas) .... . ... . 0.30 0.30 P érdidas en el túnel (supuestas) . .. . .. .. . .... . . . . . . . 'Columna total. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.19
Nótese en este ejemplo cómo la columna estática entre el nivel del agua en el túnel de entrada y el eje central de la boquilla de descarga del condensador se encuentra balanceada por la recuperación que hace el sifón en la línea de descarga de la boquilla al túnel de descarga, excepción hecha de las pérdidas del sifón. Las pérdidas del sifón varían con la velocidad del agua, temperatura del agua, estructura física del sifón, cantidad de gas en el agua, así como presión barométrica. Con un sifón diseñado correctamente, pueden obtenerse eficiencias de 75 a 80 por ciento.
COLUMNA DE UNA BOMBA
123
Las pérdidas de admisión y descarga en este tipo de instalación varían, dependiendo de cómo se ' instale la tubería del agua de circulación, de la forma de las secciones de admisión y descarga del tubo y de la velocidad del agua en el tubo. Generalmente, no exceden a unos 30 cm de agua en sistemas bien . diseñados. Las pérdidas en el túnel consisten de fricción en la parrilla de admisión, si se usa ésta, y en el túnel mismo. Si se usa una disposición de condensador con la mitad de la parrilla taponeada con basuras, las pérdidas en el túnel no deberán exceder de 30 cm de agua. Cuando el río se encuentra con un alto nivel, las pérdidas de columna en la tubería y accesorios son las mismas, así com? .las correspondientes a velocidad, condensador, túnel, adInlSlÓn y descarga. Sin embargo, la columna estática total cambia, como se muestra en seguida: Concepto m de agua Columna de fricción: Condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.18 Tubería .......... . ...... . .......... . . . . . ....... 0.70 Columna de velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.19 Pérdidas de admisión y descarga . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . 0.30 Pérdidas en el túnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.30 Columna de succión estática (eje central de la bomba a nivel alto del agua) . ......... .. .... . . . . . . . . . . . . . . -3.65 Columna de descarga estática (eje central de la bomba al eje central de la boquilla de descarga del conden. sador) . ....... . ....... . . . . . . . .... . . . . .. . ... . ... 2.55 Columna de descarg/i estática (boquilla de descarga del eje central del condensador al nivel alto del agua). 1.11 Columna total .. . .. .. . . ... . ... . . . . . .. . ...... .. ..
5.68
Comparando la columna total que se obtiene en ambos casos se verá que la única columna individual que varia es la debida a las pérdidas del sifón. Cuando se elige una bomba para este tipo de servicio, deben calcularse ambas condiciones de columna y seleccionar la bomba para la columna máxima esperada más cualesquiera factores de seguridad que sean realmente necesarios. Para la instalación que se considera aquí, la bomba se habrá de elegir para las condiciones de bajo nivel del agua debido a que requiere una mayor columna total.
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
ESPECIFICACIóN DE LA COLUMNA DE LA BOMBA Aun cuando la columna total de una bomba puede calcularse con gran exactitud, es necesarIO ejecutar las especifisaciones cuidadosamente conforme a las condiciones exactas que existen en la instalación para evitar errores costosos en la selección de la bomba. Quizás la causa más comú~ de tales errores es la acumulación de factores de seguridad que se aplican antes de llegar al punto de operación final de la bomba. Factores de seguridad en exceso o demasiado liberales, pueden producir una bomba de capacidad mayor que la realmente necesaria, lo cual conduce a un exceso en el consumo de potencia y posiblemente mayor costo de mantenimiento. Factores de Seguridad. Los cálculos de columna, cuando se hacen exactamente, dan la columna total que debe desarrollar la bomba de una instalación dada. Es práctica común el efectuar el cálculo o estimación de la capacidad al mismo tiempo que se determina la columna. Una vez que se conocen estos dos valores, el ingeniero aplica generalmente ":¡' un factor de seguridad a cada uno, antes de consultar una tabla o gráfica de caractf~rísticas. El valor exacto de estos factores varía de un individuo a otro, y de un grupo de condiciones a otros. La práctica común los coloca en cualquier punto de 10 a 50 por ciento de la columna líquida y de la capacidad de la bomba. 140
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% de capacidad requerida
FJG. 4-33. Efecto de los factores de seguridad sobre la operación de bombas. (Cortesía de Allis-Chalmers Mfg . Co.)
COLUMNA DEl UNA BOMBA
125
Cuando el fabricante de la bomba recibe la solicitud para la cotización de una unidad , debe agregarse otro factor de seguridad por el uso de un impulsor de mayor diámetro a una velocidad mayor en bombas movidas por banda. Si la bomba está accionada por un motor de inducción de jaula de ardilla, su velocidad real puede ser mayor que la velocidad garantizada del motor, a menos que el moto.r se encu.entre sobrecargado. Esto resulta del factor de segundad que mtroduce el fabricante del motor. Cuando se usan todos estos factores el resultado puede ser una bomba de tamaño excesivo para la aplicación. La Fig. 4-33 muestra el efecto de los factores de seguridad en el comportamiento de una bomba centrífuga. El punto 1 de la Fig. 4-33 indica 100 por ciento de ~o lum na y 100 por ciento de capacidad. Estas son la c.apacldad y columna reales que se necesitan para la bomba baJO un grupo dado de condiciones. Para asegurar un gasto adecuado, se ar:-lica un factor de seguridad de 30 por ciento, punto 2, por el ingeniero de la planta. Puede usarse también un factor de seguridad de 10 por ciento en columna, dando punto 3: Este es el punto requerido de operación suministrado al fabnc~nte como base para su cotización. Naturalmente, el punto aa do variará de un individuo a otro, dependiendo de los factores que se usan. . Para cubrir las condiciones garantizadas requendas, el fabricante puede usar un impulsor de diámetro mayor, dándonos el punto 4. Si la velocídad del motor excede la gar~? tizada para condiciones de plena carga, el punto de operaClOn de la bomba se moverá al punto 5. El punto 6 indica el punto de operación real que puede determinarse usando la velocidad de la bomba, rpm, presiones de descarga y succión, y la curva ca racterística de la unidad. Si la válvula de descarga .:le esta bomba se cierra parcialmente de manera que el gasto sea de 100 por ciento de la capacidad, el punto de operación se mueve ~ 7. La .dife~e~c!a entre los puntos 1 y 7 representa la potencIa perdIda mutIlmente por un flujo restringido en la válvula. Aun cuando la Fig. 4-33 se ha dibujado para mostrar el efecto de los factores de seguridad y no una búmba en particular, los resultados generales que se obtienen son ciertos para casi cualquier clase o tipo de unidad. Desde luego, mucho depende de la forma real de la curva columna-capacidad
126
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
de la bomba que se considera. Los factores de seguridad que se aplican a la Fig. 4-33 aun cuando son típicos de la práctica normal en algunos campos, no deben de usarse sin un estudio completo de las necesidades hidráulicas de un sistema dado. Costo, Ruido. Una bomba de capacidad excesiva tiene un costo inicial más alto que una bomba del tamaño correcto. Por ejemplo, una bomba de circulación de 7.5 hp instalada en un sistema de calefacción de agua se encontró inadecuada. Al comprobar las condiciones de flujo se encontró que una unidad de 1.5 hp sería satisfactoria. No solamente costó más la unidad de mayor tamaño cuando fue instalada, sino que, además, no trabajó satisfactoriamente. El ruido, que es un factor de importancia creciente en los sistemas de bombeo industriales de todos los tipos, muchas veces se debe a una bomba de tamaño excesivo. Una bomba más grande de lo necesario descarga más líquido en el sistema de tubería de lo que se precisa. Puesto que no puede cambiarse el tubo, el líquido debe circular por él a velocidad mayor que la que se anticipó. Esto puede conducir a ruido excesivo y quejas del personal en las áreas por las que pasa la tubería. De hecho, estas quejas son frecuentemente el primer indicio de la existencia de una bomba de tamaño excesivo en una planta. Eficiencia. Nótese que la bomba de la Fig. 4-33, cuando opera en el punto 7, se encuentra lejos de su mejor región de eficiencia, que corresponde a la de 100 por ciento de la columna requerida. Cualquier punto entre 130 y 150 por ciento de la capacidad nominal se encuentra en una buena región de eficiencia. En el punto 7 la eficiencia se encuentra varios puntos abajo de esta región. Si esta bomba maneja líquido que contiene sólidos abrasivos que no permitan el uso de una válvula de restricción en la línea de descarga, operará en el punto 6, descargando el 174 por ciento de la capacidad requerida y usando cerca del 123 por ciento de la potencia requerida. Puede haber acción abrasiva excesiva, debido a que el flujo en el impulsor y a través de los pasajes no sigue los contornos internos del metal. Esta condición puede llevar a necesidades de mantenimiento excesivas. Otros Factores. Además de la aplicación de factor de seguridad arbitrarias, hay otras considE:raciones que pueden aplicarse al especificar la columna de una bomba. Éstas in-
127
COLUMNA DE UNA BOMBA
cluyen los cálculos de pérdidas por fricción , demandas nuevas o futuras en la bomba, variación en el nivel de succión o de descarga, operación en paralelo y líquido que se maneja. Cálculos de Pérdidas por Fricción. A través de los años, se han publicado una gran cantidad de tablas y gráficas de pérdidas de fricción de tuberías. A la fecha algunas de ésta::; no concuerdan ya con las condiciones reales y pueden ocasionar errores serios en los cálculos de columnas. Puesto que no se necesita mayor tiempo o esfuerzo para calcular las columnas valiéndose de datos modernos, es muchísimo más seguro el usar solamente los datos más recientes obtenibles. Quizás los datos más dignos de confianza en cuanto a pérdidas de fricción obtenibles a la fecha se encuentran en el "Pipe Friction Manual" publicado por el Instituto de Hidráulica. Este manual contiene un fondo de información sobre fricción de tuberías y se recomienda a todos los ingenieros que tratan con selección de bombas. Demandas Nuevas o Futuras. Si se ha de usar una bomba existente para un servicio nuevo o una bomba que se está comprando habrá de tener una demanda diferente en el futuro, la , columna especificada debe considerarse desde di, ferentes aspectos.
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(Cortesía de Allis-Chalmers Mfg. Co.)
FIG. 4-35. El cambio de la inclinación de los álabes altera la curva HQ . (Cortesía de Allis-Chalm ers Mfg. Co.)
Por ejemplo, el cambiar el ancho del impulsor de una bomba centrífuga generalmente habrá de alterar la curva columna-capacidad (Fig. 4-34). Un impulsor más ancho des-
128
BOMBAS -- SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
carga un mayor volumen de agua que un angosto y tiene en general una curva HQ más plana (Fig. 4-34). La bomba de impulsor más angosto tiene menos capacidad que una curva HQ más inclinada. El cambio en la forma de los álabes del impulsor también altera el comportamiento. Un álabe de tipo radial tiene en general una curva HQ plana (Fig. 4-35) mientras que los álabes con un ángulo más agudo nos da una curva HQ más inclinada. El aumentar el número de álabes en un impulsor produce también una curva HQ más plana (Fig. 4-36) la reducción del número de impulsores da una curva más inclinada como se muestra en la Fig. 4-36. Normalmente ninguno de estos cambios se pueden hacer en una bomba una vez que ha sido instalada. De manera que si las condiciones nuevas o futuras habrán de variar mucho con resp~cto a la existente, la columna deberá basarse sobre las condiciones de operación finales o bien habrá de obtenerse otra bomba que sea adecuada para ellas. En muchos casos, determinar el tamaño de una bomba para las necesidades presentes y el comprar una nueva en el futuro para hacer frente a las demandas aumentadas ·3 S mejor desde el punto de vista económico que el comprar una bomba excesiva en el presente. En el mejor de los casos, la unidad excesivamente grande es una solución intermedia para las demandas presentes y probablemente opere a eficiencia reducida. En caso de que el aumento que FIG. 4-36. El aumento del númese espera en el futuro ro de álabes en el impulsor aplano se presente, la bomba na la curva HQ. (Cortesía de puede operar durante Allis-Chalmers Mlg. Co.) años a una eficiencia reducida, desperdiciando potencia y requiriendo gastos mayores. Estudios hechos en muchas plantas muestran que esta condición es bastante común. El comprar una bomba del tamaño adecuado para manejar demandas nuevas cuando se presenten, asegura mayor eficiencia, vida más larga y mejor mantenimiento. .
COLUMNA DE UNA BOMBA
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Nivel del Líquido. Cuando el nivel -ya sea de succión o de descarga del líquido- varía durante la operación de la bomba, es probable que venga acompañado por un cambio en la columna estática de la bomba. Dependiendo de la clase y tipo de la bomba que se usa, puede haber una variación en la cantidad del líquido entregado a diferentes columnas estáticas. El cambio de capacidad conduce a un cambio en las pérdidas de fricción y, como resultado, la región de la columna total en la bomba puede ser menor que la correspondiente a columna estática. Para determinar el efecto de tal variación en una bomba particular, la columna total deberá calcularse para cada grupo de condiciones de operación. Aun cuando este procedimierr- ·
130
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
proyecto no compensa el gasto de una investigación detallada del efecto del envejecimiento, o no existen registros del efecto de las aguas locales o similares sobre el envejecimiento, pueden aplicarse los factores de la Tabla 4-6. Estos valores sin embargo, deben usarse con discreción y precaución; aplicarse con los datos de pérdidas de fricción obtenidos en el manual "Pipe Friction Manual". Cuando se elaboraron las ~a~la~ de este manual no se señaló ningún margen para enveJecImIento. Los factores dados en la Tabla 4-6 son el resultado de muchas pruebas. Para asegurar resultados satisfactorios cuando se usan factores de envejecimiento, debe estudiarse cuidadosamente todo el sistema de bombeo y aplicar los factores a la lu'z de las condiciones particulares existentes. Algunos datos de pruebas pueden variar hasta en un 50 por ciento de los dados en la Tabla 4-6. Aumento de Pérdidas por Fricción Debidas al Envejecimiento de la Tubería * (Multiplicadores que deben usarse con la Tabla 4-1 y valores similares) .
Tabla 4·6,
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Tubos pequeños 10-25 cm
Tubos grandes 30-150 cm
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COLUMNA DE UNA BOMBA
131
Especificación de la Columna. El Capítulo 9 da los datos esenciales requeridos para la selección correcta de varias clases de bombas. Por lo que respecta a la columna, la especificación de la bomba debe incluir lo siguiente, d~pendiendo de la forma del sistema exacto: (1) elevación de succión; (2) columna de succión; (3) longitud y diámetro del tubo de succión; (4) número y tipo de accesorios en la línea de succión; (5) columna estática; (6) columna de fricción; (7) presión de descarga máxima contra la que debe operar la bomba; (8) longitud y diámetro de la línea de descarga; (9) número y tipo de accesorios usados en la línea de descarga; (10) cualesquier consideraciones especiales que afecten la columna del sistema.
CAPíTULO
5
CAPACIDAD DE UNA BOMBA
En función de la importancia de una aplicación de un equipo de bombeo, la columna y la capacidad tienen quizás la misma categoría. Aun cuando hay otros factores como el líquido que se maneja, disposición de la tubería y tipo de motor, que también son importantes; el requisito principal de una bomba es el de entregar la cantidad correcta de líquido contra la columna existente en el sistema. El Capítulo 4 cubre los factores principales dignos de consideración para determinar una columna que debe desarrollar una bomba. El presente capítulo discute los varios puntos que deben estudiarse antes de que se pueda especificar la capacidad de la bomba propuesta. Unidades. Debido a que la cantidad de líquido que maneja una bomba varía tanto de una aplicación a otra, se em'plea una variedad de unidades diferentes para expresar la capacidad de la bomba. Probablemente la unidad más común en Estados Unidos es la de galones americanos por minuto. En Gran Bretaña y sus territorios se usan galones imperiales por minuto. Como la unidad común de capacidad en países que usan el sistema métrico, la capacidad de la bomba se expresa generalmente en metros cúbicos por hora o en litros por segundo. En Estados Unidos se usan otras unidades que incluyen millones de galones por día, pies cúbicos por segundo, galones ' por hora, barriles por día, libras por hora, acre-pie por día y mililitros por hora. Para cualquier bomba dada, las unidades de capacidad elegidas deben de concordar con las usadas comúnmente en la industria que sirven. Pero, independientemente de las unidades de capacidad que se usan , deben señalar específicamente el volumen y el tiempo.. No puede especificarse una bomba que entregue por ejemplo, 150000 litros diarios sin especificar la duración del día -8 o 24 horas.
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN Capacidad en galones (U , S.l por minu to
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Capacidad en galonc!S (U. S.) por minuto
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Gráfica d e conversión de capacidad. (Cortesía de Worthington Corp).
CAPACIDAD DE UNA BOMBA
Para la mayoría de las bombas centrífugas de tamaño pequeño o mediano, la capacidad viene generalmente en lps, mientras que para las unidades mayores, se usan metros cúbicos por día o hectárea-metro por día. Las bombas ' reciprocantes pequeñas para alimentación de substancias químicas y servicios similares vienen generalmente especificadas en litros por segundo o mililitros por hora. Las unidades mayo,res de este tipo pueden venir en litros por minuto. Las bombas reciprocantes de servicio general, para lodos, para retorno de condensados, y otros tipos vienen generalmente en litros por segundo. Las bombas rotatorias de diversos tipos vienen también especificadas en litros por segundo, excepto en los tamaños muy pequeños en donde se usan litros por minuto e incluso litros por hora. La Fig. 5-1 permite una conversión rápida de una unidad de capacidad a otra y resulta satisfactoria para todos los cálculos rutinarios de diseño. Temperatura. Puesto que la densidad del líquido cambia con la temperatura, es importante señalar la temperatura del líquido a las condiciones de bombeo cuando se señala la capacidad requerida. El agua fría entre O y 27 °C se supone generalmente con una densidad constante, por lo que respecta a cálculos de bombeo. Arriba de 27 °C, el cambio de densidad se convierte en un factor de considerarse en los cálculos usuales. Para otros líquidos, el cambio de densidad a temperaturas reducidas o elevadas puede ser extremadamente importante en cuanto a su efecto sobre las condiciones de bombeO'. Por lo tanto, la temperatura del líquido debe hacerse una parte integrante en todas las especificaciones de capacidad. Determinación del Flujo del Líquido. Antes de que se especifique la capacidad requerida de una bomba, deben conocerse los requerimientos del flujo del sistema servido. En algunas instalaciones, como alimentación de calderas, enfriamiento de condensadores, etc., los requerimientos del flujo son bastante fáciles de determinar porque hay una cierta demanda mínima y una demanda máxima predecibles. Pero en otras instalaciones, como en procesos industriales, es habitualmente más difícil predecir exactamente la demanda del líquido. La Tabla 5-1 da una lista de los requisitos de agua y vapor para algunas operaciones industriales. El consumo tabu-
136
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Tabla 5-1.
Demanda de Agua y Vapor en Instalaciones Industriales. *
137
CAPACIDAD DE UNA BOMBA
Tabla 5-1.
D emanda de Agua y Vapor en Instalacion es Industriales.
(Co ntinuación) Agua
Vapo r Vapor
Agua Ácido acético Ácido acético lígneo ... Ácido acético Iígneo
de carhuro de á cido piro.. d",," Ú~~~· ¡;i~~ :
Ácido acético, direcln ceso Othmer) . Alcohol industrial
3 300 kg por ton HAc (3) 380 m' por ton . HAc (3)'
7 120 kg por Inn. H Ac (3)
900 m" por ton . HAc (3)
29.fffc '(
313 500
kg por Inn
(pro-
Alúmina (proceso Bayer) Amoniaco, s intético
Amoniaco , supe r(osfalo
6 kg por I alcohol 190 (,9)
24 m '· por In n . AhO. 3H,0
6800 kg por km AlzO:\. 3H ,0
Amoniaco. s ulfato de Buna S Butadieno Calcio , melafos/a to ele Carhono , bióxido de
Caseína (proceso de suerograno) Cáustica. sosa (proceso d~ ~'al sódica)
prueba
(.J)
8,900 kg por ton . NaOH en solución al 11 por ciento
Celulosa , nitraln de
Carbó n y químicos de la madera .. ..... . .. .. . . . .. . . . . Aceite de semilla de algodón
80 m' por ton. NaOH en solución al 11 por ciento (1 )
Ceniza de sosa (proceso d( sosa qe am oniaco)
Cupramonio , rayón de
Refinación de ác idos grasos, continua Gelatina :;licerina
Clorato de sodio
Silicaln de sodio 9 080 kg por Inn de CO, sólido , de gas al 18 por ciento.
1 090 kg po r In n de caseflla. 1 225 k¡¡ por Inn de N .OH en solUCión a l 11 por ciento
Ácido clorhídrico (proceso sa· lino ) . . . .. ..... . Acido clorhídrico '( ¡"r;';'~~~ sin tético) Hidrógeno
9 080 kg por ton de Na OH al
76 por cien In (3)
29 000 kg por ton de CaAc, 1.8 kg por I de aceite (3) .06 kg por I de acei te duro
S ulfato de sodio . natural
(3)
.85 m'· por ton . ele jabón (3 ) 1.9 m ' por ton. de jabón (2) 56-68 m :: por ton de ceniza de sosa al 58 por cienln
Acido esteárico y aceite rojo. Dió xido de azuf re. lfquido Ácido s ulfúrico (proceso de cám ara) . ..... . Acido su lfúrico ('pr'o'c~~~ " c'l~ contacto ) trisódico
77 m ' por ton de SO, líquido (3) 10 .7 m'· por ton de H ,So.. al 100 por ciento (3) 15 .2 m '· por ton
Ra yón viscoso
óSO a 7[>6 rn ~ por ton viscoso (3)
630 kg por ton cargada 4.15 m ' por ton . de glicerina
Pan Destil ación Cerveza
(3)
182 kg por ton de ~elatinn (3) 3 ~~~ kg por ton e glicerina
756 m ' po r Inll. de pólvora (1) explosivos (2) 11 mo' por Inn de HCI 20° Bé (.1) 1.9-3.8 m" por to n . de HCI a 20 Bé (3) 2 500 m'· por ton . H , (J)
°
~ Co rtesía de America n So ciety lar T es ting Mat eria l,t;. tin: l ~~se;~~bl~ , cu rsivos entre paréntesis se refieren a la lista de re fe rencias al
1 820 kg por ton de fen ol
JR!í kg por t.on de P,O, ni 3.~ por c iento Ácido (.J) I 1:1;' kg por ton de KCI (.J) 1 820 kg por ton d e jabón (.J)
to de sodio (.7) GanO kg por to n de clo rntio de sodi o (.1)
472 kg por ton de cris tal de agua 40 ° l1é ( .J) 1 660 kg por ton ele Na,SO.• .. anhidro (95 porciento)
oe
híl o
8 160 k¡¡ por ton de Ácido cstea n co (3) J 100 kg por w·, Je SO, lío quido (3)
68 J;,tO~. 1 ,t\le (.1) 14 000 kg por Ion de va ini Ilin a (.1) (,;j !Jün kg por ton el e hilo viscoso (3)
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I NOUSTRIA DE L,\ ALIMENTACIÓN
.
rin o 0 .75 to n dc salicilaldehido (3)
:l63 kg por ton Mg (OH), (3)
+
I 360 kg por ton de couma-
340 a 605 m ' por ton. de rayón con 11 por cien (o de humedad (3)
300 kg po r ton de laclosa (3)
R 160 kg por ton de MgCO., básico (3)
2 720 kg por (on de hicroma·
230 m ' por to n de clornln de sodi o (3) 680 1 por ton de "cristal de a gua" 40° Dé (.1)
Vainillina (s intética)
(3)
~G
(.1)
Ortofosfat.o
(3)
(1)
Pólvora
284 m ' por Inn . de H , PO. al 100 por ciento (3) 28.4 m '· po r ton . d e P ,O, a l 35 po r ciento , ác ido (1, .1) 150 a 190 m '· por Inn. de K GI
(J . •1)
20 t. por t. de aceite (3) 0.6 1. por t. de aceite duro (3)
220 m :1 de agua marina y 1.U m:l de agua fresca pOI Inn . de MI! (OHl, (3) 27 m ' por m ' de O, (.1)
BicTomato de sod io
420 t. por kg de nitrato de celulosa ( .1) 38 m '· por ton. de nitrato de celulosa (1) 246 m' por ton. de CllAc, (3)
Couma rfn (sintético)
Acido fosfórico (proceso al ácido fu erte Dorr ) .... . . . Cloruro de Pot.asio. de s il vinita , . . . . .
.JabÓn de lava r
(.1)
Cáustica, soda (electrolftica)
756 a 836 m" por ton . de lactosa (1 . •1) 16.3 m" por ton. de MgCO., bás ico (.1) 148 m " por ton. d e MgCO" (J )
Magnesio, hidróxido de , de agua maria y dolomita Oxígeno, lfquido .. ... . .. . . Fenol. sintético ... . Ácido fosfórico (alln horno ).
hrad~ (5)
117 m ' por Inn. de NH, líquido (1 . •1) 100 a 110 1. por ton . de s uperfosfato de amoniaco (3) 756 m ' por Inn de sal (1) 650 000 m" por día para 100 000 t.o n. de Buna S por año (3) 1 200 m ' por ton . .de butadieno (2) 15 m' por Inn . Ca(PO, ), 85 m '· por Inn. (. 0, (1) 75 m ' por Inn. CO, (sólido de gas al 18 por ciento. (3)
M ag nesio, carbona to de, bá sico
24 600 k¡; por Inn HAc (3)
120 1. por 1. de a lcohol de 100° 52 1. por 1. de a lcohol prueha 190 (3) 100 1. por 1. de a lcohol (2) 76 m ' por Inn. de grano (J) 17 m' por m ' de grano que(3 )
Lactosa (azúca r Je leche ) . .
Whis ky . Enlatado ' ChavAcano Espárragos Frijoles Ejot.es H abas .Frijo les con puerco
B el.,bel
" 9 a 3 .7 m' por t.on de pan (4)
1.8 m ;! p or ba rril de cervczn (5)
80 I por 1 de wh i"ky (5) 30 m ' por 100 cnjas de latas No. 2 (5) 2(;.5 m '· por 100 cajas de la · t.as N o. 2 (1, .S) ] :1.2 m :'l por 100 cajils de Ja -
t.as No. 2 (J. 5) 111 :1 por 100 ca jas de In· (as No. 2 (l. 5) ]3.2 m :: por lOO cajas d e la· (as No. 2 (1 ) 0.4 m :1 por 100 cnjas de la tas No. 2 (5) 04 ..5
2n-454 kg por Ion de p an (4 )
138 Tabla 5-1.
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
D emanda de Agua y Vapor en Instalaciones Industriales.
139
CAPACIDAD DE UNA BOMBA
T abla 5- 1.
D emanda d e Agua y Va por en Instalaciones Industriales
(Con tinuación)
(Continuación)
Agua
Marz Crema de maíz o maíz elltero Chrcharo Sauerkrl1:lt
Espinacas
Succotustl Tomates ... Productos de Enteros . .. Maíz refinado ..... Gelatinu comestible
Vapor
9.4 In " por lOO cajas de lalus No . 2 (S) 15 m :; por lOO cajas de la las No . 2 (l) 11.3 m " por 100 cujas de lal"s No . 2 (1) 1.1 In " p o r JOO cajas de la· las No. 2 (l, 5) 68 m " por 100 cajas de 1,,l"s No. 2 (/. 5) 47 m " por 100 cajas de latas No. 2 (5)
Hilo , cupramonio Pulpa soluble Hilo viscoso ... .... . Seda, tet1ido de medias Lana Cardado Cardado y decoloración
2.84 m :l por ton de cemento
22 I por I de aceite (3)
Roca de ('emento, ueneficio
:¿ .72
208 m " por cada 100 cerdos
Ca rbón Coque, subprod ucto
5.4¡J?R
16.6 m:l por ton de peso vivo
60 m " por 100 puercos (J , 5) 1.5 m " por hectá rea (5)
queso ..... ' ... P rod uc los Itl e teos Recepción y embotellado Cremeríu .... Resta urantes Azúcar . .. .. Hemolucha
15 m " por ton de queso (1, 5) 12 I por I de leche (2) 450 I por 100 I de leche (1, 5) .85 m " por ton de crudo (5) 2 u 15 I por comida (2, 5)
Carbonización Lavado .. Electricidad
19 m :.! por lon de mantequiIlu (1)
8.2 m :! por ton de az úcar refinada (3) 75.6 a 94 m " por to n de azúcar (J) 9.8- 12 111 " por ton de be ta· bel (1J 3.8 111 " por ton de azúcar (2) '1 8 .2-32 m " de condensado por Ion ( 3) Aguu pu ril 5.:.1 m :1 por ton de azúcur refinada 138 Jll :1 por ton d e producto (lJ
53 m:1 por ton de producto (1) 120 111 '; por ton de producto (1)
Patatas
42.4·95 duelo
10 :1
por to n de
pr o~
(J)
Hutahega
115 m a por ton d e producto
Ca mote
78 m :: por ton de producto
(/) (1 )
1 N DIJSTIU ,\
Algodón D ecolo rac ió n Te.i.ido Acabado Proceso ... ' . . . ' . . .... . Artículos tejidos , dt! c() loT ~H'ion Lino Hayón
2:~·57
Edificios, oficinas
Matanza Rastro ........ . Leche y productos de 'l ~~ f~~ Mantequilla
Deshidratación ele vegeta les Retubeles Col .... Zanahoria ........ . ,
j(j.6-125 111 " por 100 kg el" lana en bruto (1) 151 111 " por ton (2)
Cenlento, Portland
AlunlÍnio
las No. 2 (1) 2.83 m " por 100 cajas de la· tas No . 2 (1) 1.25 m " por ton de marz (J) 50-76 m :1 p or ton de gelatina
(1)
Caña de azúca r , refi nada
605 In " por ton de hilo (1) 720 rn" por Ion de pulpa (1) 750 m " por ton de hil o (J) 22 .7-30.3 In " por ton (2)
m :: por pe rsona por es· tación (1) 7 250 m " por Lon de alumi · nio (2) 'lOO·170 I por día per ca pit..
26.5 m" por 100 cajas de la·
(/ , 5)
Volateríu
Vapor
I NDU~1'RIAS M ISCEI,ÁN&\S
Acondicionantiento de aire
(4)
Aceite comestible . Empaque de ca rne . Casa de empaque
Agua
Lavanderías COl'ne rcia l
Institucional Curtiduría 1 590 kg por ton de azúcar
.
por ton de roen brubl m " por ton de coque
13.2 m :: por ton de carbón carbonizado (1) 1.47 m " por ton de carbó n (1) :lOa l por kw de eled.ricidud (2. 5) 455 m :: por t.on de earu611 411emado (1) ll.520-1. 8 m " por dia por cama (2. 5) 1.04-1.V rn:1 por día por cuar· t.() de h uésredc~ (2, 5)
2fi8·:mo kg por lon de coque (3)
32.5-4:1.2 m " por ton de "truba jo " (2. 5) :¿2 .8 m :1 I.Klr ton de H trabajo" (2 . 5) 1.42 m :: por ton de tanino vegetal (3) 2.27 m :; pOI' ton d(~ curtido nI cromo (3) 22 .7·HO m :! por tO I1 ele cuero (2)
Peirólco Motor de avión (prueba)
111:1
por lon de cue rm; (1)
470 m :1 por motor de avión (2)
Gasolina Gasolina, a viació n Gasolina, unturul
Gasolina. polínlerización de
7 a lO I por l de l:u80lin" (2) 25 I por 1 de gasolin a de aviació n (2) 2ll I por l de lIasolina (.7) y 56 111:1 de gus limpio H 10. 5 kg / cm~ d e presión 34 I por Id .." gusolina po ~ lemeri'l.uda (:1) fdi8
111 ::
ac~it."
por ]00 (7)
hal'rilt~ s
dl~
Fábricas .ie pH!)el
liH m ': por lUO barriles de c ru· do (/ ) 2fJO 11\ " por 100 burriles de crudo (1) l H.9·57 1'11 :: por ton tlt-! pulpll
144 m " por ton de papel (1) Cartón
Desentintado del papel ... [,2. 8 m :: por ton de ('tlrtón
Refinado (1)
111::
(.1)
tiO
Aceite, síntesis Fis c h e rTropsch . . " .. Campos petrolero~
TEXTIL
~H · 14.4 I por m (2) H.:!- Ifi.G m " por lOO kg 41 .:>·()2 1 pu r m (2) :3 1. 6 m" po r J(~O kg (1) fiO.5 m" pur ton (2) 756 m :: pur ton (1)
Hospitales Hoteles
(2, 5) (2, ;J)
(2)
(1)
(J.7 k¡: por I d " gusolina (:1) y !lo 111 :: de gas limpio a lo.r; kg /C!m:: pres ión .!il kg por 1 de gadulinn poliInerizadu (j)
140
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Tabla 5-1.
141
CAPACIDAD DE UNA BOMBA
Demanda de Agua y Vapor en Instalaciones Industriales.
3 .¡; u
<
(tontinuación)
t/¡ :a (/).S·.!.
U'l
Q :V '~~g g
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Pulpa de haga zo Pulpa al sulfato (Kraft)
08 m ' por ton de bagazo
Decolorac ión sulfa to
227 650 1 para decolora r 1 ton (.'1 ) de pulpa seCa con un a hrillantez de HO a 8fi . . . G .E .
de
pulpa al
Pu lpa a l su lfato . . Luna de roca
15·19 m :! po r ton de Irlna de rOCa (1 , .1)
Hule (llantas de autnmó vi l) Plant.a Sidcrrgica
76· 1:12 m " por ton de acero
Acero manufacturado Acero e n lingote . ... . .. . Lingote de hierro (pig iro n) Explotación de nero)
a?Ufre
(mí.
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lado que se indique para el agua puede usarse como un indicador aproximado de la capacidad de la bomba, necesaria para un proceso en particular. Sin embargo, debe recordarse que es común el uso repetido de la misma agua en muchas industrias actualmente y que puede ser suficiente una sola bomba o grupo de bombas para suministrar todas las necesidades excepto las muy especializadas. Cuando el co ndensado regresa a la caldera de la planta o tanque de retorno, el consumo de vapor d:Jdo en la Tabla 5-1 es útil para indicar qué cantidad de condensado debe manejarse. Debe considerarse un margen para aquellos procesos en los que el vapor se convierte en parte del producto, abandonando la planta en algún
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(1.) G.E. Sym.ons , "'rreatment of Industrial Wastes", Wa ter (Jnd Sewago, V.ol. 82. No. I J November. 1944. p . 14. (2) JOI,rnrzl. Am. Water Works Assn .. Vol. 37. N.o. 9 , September. 194.5. p. 4. (:1) Chem ical anel Meta l1 uT/:ical Engineering Flow S heels . 4th Ed. (944) (4) Food Indus t.ries F low Sheet. of (he Food Producing Indust.ry . 2nrl erl. (1947) (15) H. E . .Jordan. "Ind us tri al Requirement.s for Water", Tite Johnson Na/ional Driller." ./ou.rnnl . •¡uly· August , 1948. p. 7. (6) W . L. Faith. "Plan!. Locafion in Ag ri cultura l Process Indus t.r ies". Chomical En· ¡¡inecrin¡¡ Pro/!,ess . Vol. 45. May. 1949. p. 313. (7) W, C . Schroerlcr , "Comrarison of Major Processes for Syn thetic Liquid Fuels", Chemicnl Indu stries. VD. 62. No. 4. p. 577 ( 1948) (8) S . 'r . Powe ll o.nd L . G. von Lossberg. "Relalion nf Water Supply t.o ehemícal 'P lant Lo"alion". Chemical E ngineering Prog ress. Vol. 45. May. 1949. pp. 289·300.
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1 fiOO kg por ton ,le pulpa seCa a l s ulfato (3) 1 420 kg para decolorar una Ion (3) de pulpa -¡eca de 80 a 8 5" G. E . de brillan· tez 2 200·3 200 kg por Ion de pulpa seca ( 3 ) 1 360 l
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142
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
recipiente así como para la salida de todo o de algo del vapor que se pierda a la atmósfera. Estimación de las Necesidades de Agua. Puesto que el agua es probablemente el líquido más comúnmente usado en la industria, se presentan muchos problemas en la práctica, relacionados con ella. Y puesto que la capacidad de bombeo no puede elegirse a menos que se conozcan los requisitos de agua, es necesaria una investigación de consumo de agua como primer paso en la selección de bombas. La Tabla 5-2 muestra una forma en que pueden concretarse las necesidades de agua para una planta existente o proyectada. Cuando sólo se está considerando una porción de la planta, el número de renglones puede reducirse según se desee. La Tabla 5-2 ayuda a evitar una de las fallas más comunes en la selección industrial de bombas : el desperdicio de dinero y potencia, al utilizar una capacidad excesiva, sólo para llenar los requisitos estrictos de alguna aplicación menor: agua de beber, por ejemplo. También sirve como auxiliar para planear la recirculación del agua y su uso múltiple, y puede indicar posibilidades para necesidades especiales, segregadas de otras. Otros Datos de Gasto. Además de los datos de gasto que se dan en. la Tabla 5-1, algunos capítulos posteriores trata'n sobre la aplicación de bombas en varias industrias, da detalles de los gastos necesarios para .una variedad de servicios. Allí también se consideran otros líquidos además del agua ya que pueden ser mejor discutidos en función de aplicación específica que en un capítulo general como el presente. Control de Capacidad. \~a descarga de una bomb~ cen trífuga~ puede variarse con diversos métodos, dependiendo de que la unidad trabaje a velocidad constante o variable. Con unidades de velocidad constante la capacidad puede cambiarse: (1) estrangulando la descarga de la bomba o derivando todo o parte del líq uido descargado; (2) usando más de una bomba, proporcionando la capacidad de cada una, de manera que pueda pararse una o más de ellas o arrancarse, según el caso, para suministrar el gasto necesario; (3) usando un tanque de almacenamiento para reserva, y operando la bomba intermitentemente para mantener un cierto nivel mínimo; (4) usando una bomba de capacidad ajustab~tal como la unidad descrita en el Capítulo 15, o una bomba de flujo axial de paletas ajustables y baja columna.
143
CAPACIDAD DE UNA BOMBA
La variación de la velocidad, ya sea manual o automática, es otro medio de varÍar la salida de una bomba centrifuga. Esto requiere ya sea un motor de velocidad variable o acoplamiento variable, y puede dar una operación extremadamente económica ya que no existen estrangulamientos o derivaciones que producen pérdidas. Los motores pina bombas se discuten " en mayor detalle en el Capítulo 8.
FIG, 5-2, Bomba centrífuga provista de válvula de globo para estrangulación de la descarga, (Cortesía de Gou.lds Pumps , ¡ne.) ,
La Fig. 5-2 muestra una bomba centrífuga de velocidad constante adecuada para estrangulación de la descarga. Esta unidad maneja 50.5 lps a 30.5 m de columna. La Fig. 5-3 muestra una de seis bombas de impulsor de flujo axial horizontales de 295 cm en una estación de control de avenidas de Florida. Cada bomba está movida por un motor diesel con una transmisión de cadena de doble reducción. La velocidad nominal de estas bombas es de 124 rpm pero pueden operar a otras velocidades, para hacer frente a condiciones de carga variable. Las bombas rotatorias y reciprocan tes de desplazamiento positivo pueden controlarse variando la velocidad de la bomba, en carrera, cantidad de líquido derivado, o varios otros
- -- -
- - - -- - - - - - -- -- - - - - - -
144
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
métodos. Algunos de estos se discuten en los Capítulos 2 y 3 mientras que otros están cubiertos en capítulos posteriores relacionados con aplicaciones específicas. Variaciones de Demanda. Hay que tener extremo cuidado al especificar la capacidad de una bomba cuando la carga de la planta, el ritmo de producción o cualquier oÚo factor habrá de causar un cambio en la demanda del líquido. Las
FrG. ti-3. Bomba de impulsor de flujo axial en una estación d e control de ave nidas en Florida. (Cort esía de Fairbanh s, Mo rse and Co.).
variaciones en la cantidad del líquido entregado influyen generalmente sobre la eficiencia de la bomba. Es práctica usual '-el elegir una bomba de manera que cuando opera a su capacidad normal su eficiencia se encuentra en el máximo o muy cerca de éL] Cuando se requiere una región amplia de capacidad, la duración de los períodos de operación a varias capacidades, hasta incluyendo la nominal, deben estudiarse cuidadosamente. Con la bomba centrífuga usual, un aumento en capacidad viene generalmente acompañado por una disminución en la columna desarrollada. Y puesto que la fricción de la tubería aumenta con la cantidad de gasto, la bomba puede
CAPACIDAD DE UNA BOMBA
145
no ser lo bastante potente para entregar la capacidad deseada debido a que no puede desarrollar suficiente columna. La operación excesiva de una bomba a capacidades mayores que la normal puede conducir a d~ficultades de mantenimiento prematuras. Cuando una bomba opera una gran parte del tiempo a la capacidad nominal, con sobrecargas ocasionales, la duración del período de sobrecarga no es tan importante. Pero cuando las sobrecargas son excesivas, es prudente el considerar el uso de dos bombas en lugar de una. L~L.!lSO de dos bombas en lugar de una permite que cada una de ellas opere en su mejor región de eficiencia la mayor parte del tiemp~) Aun cuando los costos iniciales pueden ser mayores, el costo de operación más bajo y la mayor flexibilidad ayudan a pagar la inversión adicional. En capítulos posteriores se discuten ejemplos específicos del uso de dos bomba,J? en lugar de una en varias operaciones industriales. : Elección de la Capacidad. Supóngase una planta indus"trial tiene una demanda media del agua de un 75 por ciento de la máxima. Dos bombas, cada una de ellas de 75 por ciento de la demanda máxima pueden ser la mejor elección.' Esto permitiría que cada bomba pueda manejar la demanda media y ésta operaría sola probablemente la mayor parte del tiempo. Cuando la demanda excede 75 por ciento del máximo la segunda bomba entra en operación ~abaja en paralelo con .la primera. Ambas operan a su eficiencia máxima o muy cerca,,,-\. En algunos casos un arreglo de esta naturaleza no es aceptable. Cuando la demanda total es tan baja que es imposible elegir dos bombas que operen en sus regiones de máxima eficiencia, deberá usarse una sola unidad debido a que dos bombas probablemente tengan un costo inicial y un costo de operación más altos que una sola bomba bajo estas circunstancias. Con capacidades muy grandes puede ser impol",ible encontrar una unidad que llene las demandas medias. Puede entonces elegirse dos unidades con capacidad de la mitad de este valor, independientemente de cómo varíe la demanda del líquido. Cuando la demanda fluctúa marcadamente de un valor bajo a uno alto, esta disposición puede permitir una eficiencia general mejor debido a que la capacidad puede dividirse como se desee -por ejemplo 25 y 75 por ciento de la total en las dos bombas. Ambas tendrán que operar para afrontar el máximo, o 100 por ciento de demanda. La conexión exacta que
146
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
se use dependerá de cómo varíe la demanda del líquido en las diferentes áreas del sistema servido. Por ejemplo, donde un área en una planta industrial use alrededor de 25 por ciento del flujo total y otra 75 por ciento, las bombas pueden usarse con tuberías independientes pero cuando se sirve una sola área o el líquido se bombea a un tanque antes de distribuirse, las unidades probablemente habrán de operar en paralelo. Cuando la eficiencia de operación no es un factor muy importante el número de unidades que se eligen para dar la capacidad requerida es generalmente una función de costo inicial. Si una sola unidad tiene un costo inicial menor, se usará ésta. Lo mismo es cierto si más de una unidad tiene un costo inicial menor para la capacidad deseada. Aun cuando no es frecuente que existan condiciones en las que la eficiencia de operación se pueda ignorar, hay situaciones en las que la energía que de otra manera se desperdiciaría, puede usarse en el motor primario de la bomba. Los ejemplos típicos incluyen utilización del vapor de descarga, gas de desperdicio en una refinería, yagua u otros líquidos suministrados bajo presión. cuando la energía de presión no se necesita para vencer resistencias de flujo. En instalaciones en las que la falla del suministro de líquido puede seriamente poner en peligro la vida, el equipo o la seguridad, pueden instalarse dos bombas para operar en paralelo en todo tiempo. Cada bomba está clasificada para la demanda máxima y puede llevar todas las cargas si la otra unidad falla. Hay algunas desventajas para un arreglo así: (1) puesto que ambas bombas operan al 50 por ciento o menos de la capacidad nominal, la columna desarrollada excede a la requerida por el sistema, y debe contarse con un sistema de estrangulamiento en la descarga si ambas bombas operan a velocidad constante; (2) la vida útil de la bomba puede verse acortada. (3) Puede presentarse sobrecalentamientél, cuando el gasto desciende a valores extremadamente bajos. Este factor se discute más adelante en el presente capítulo. A pesar de estas desventajas, hay instalaciones en las que la seguridad de operar dos bombas idénticas hace conveniente su uso. Operación en Paralelo. Como se ha indicado antesD a operación en paralelo de las bombas es .frect1'efj:te1nen.t~ la mejor solución a un problema de variación de capacidad~J
CAPACIDAD DE UNA BOMBA
147
En general, las bombas reciprocantes y rotatorias presentan menores problemas cuando se operan en paralelo que las bombas centrífugas. Una razón para esta diferencia es que la mayor parte de las bomba:s reciprocantes y rotatorias son unidades de desplazamiento positivo, mientras que la capacidad de una bomba centrífuga varía con la columna que desarrolla. Y además la columna de una bomba centrífuga es una función del diseño del impulsor, velocidad y otros factores. Así que la discusión que sigue trata específicamente con bombas centrífugas, aun cuando algunos de los principios se apli can igualmente a las unidades reciprocantes y rotatorias. SISTEMAS ESTRANGULADOS Los sistemas de bombeo industriales servidos por bombas centrífugas pueden ser ya sea del tipo estrangulado o no estrangulado. En el tipo estrangulado, el gasto (o capacidad) se ve controlado por el uso de una o má~ válvulas que disipan el exceso de columna desarrollado por las bombas. En algunos sistemas, como los de alimentación de calderas, una válvula de estrangulación colocada directamente en la línea de descarga controla el flujo. En otras, como los sistemas de suministro de agua industrial sin un tanque o tubería de reserva flotando en las líneas de distribución principales, los usuarios del agua controlan la descarga del agua conforme abren o cierran las válvulas para sus propias necesidades. "En sistemas no estrangulados, en los que las bombas frecue~temente descargan a un tubo o tanque de reserva el flu, jo depende de la columna desarrollada y de las características normales del sistema. Sistema Estrangulado. La Fig. 5-4 muestra un ejemplo de un sistema de estrangulado industrial con flujo controlado por la válvula A. Esta válvula puede controlarse manual o automáticamente. La Fig. 5-5 muestra las curvas de columnas del sistema, superpuestas sobre la curva HQ de la bomba . La línea CE representa la presión de la más la parte estática de la columna de bombeo. Esta presión es prácticamente constante. Aun cuando se muestra una caldera como el recipiente bajo presión, puede usarse cualquier otro medio sin ca mbiar las relaciones en el sistema. Por lo tanto, el siguiente análisis
se puede suponer aplicado a cualquier sistema industrial que se asemeje al de la Fig. 5-4. Operación del Sistema. Cuando se suministra agua a la caldera de la Fig. 5-4 por la bomba, la presión conA \ , tra la cual opera la bomVálvula de \ regulación 0 . 1 ba aumenta debido a las Calentador de agua estrangulamiento pérdidas de columna de de alimen tación fricción en la tubería, válvulas, accesorios y otros aparatos en la línea. Cuando se abre la válvula A, la presión debida a pérdidas de fric· ción puede suponerse que aumenta según la curva CD (Fig. 5-5). El cerrar FIG. 5-4. Diagrama simplificado de un parcialmente la válvula sistema de alimentación de agua para caldera. (Cortesía de Worthi.ngton A, produce una serie de curvas de columnas del . Corp). sistema tales como CE,
Colu~na-Ca~aCjda~
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149
CAPACIDAD DE UNA BOMBA
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
148
Curvas de HQ y hp en el freno (bhp) para dos bombas iguales. (Cortesía de Worthington Corp.) .
en el punto K y la columna contra la cual opera la bomba está representada por la diferencia vertical H. La columna real requerida para desarrollar la capacidad Q sobre la curva de columna del sistema normal CD está representada por H¡. Puesto que la bomba desarrolla una columna H a una capacidad Q, la válvula A debe disipar una columna igual a H - Hh o h. La columna desperdiciada h representa una pérdida de potencia de entrada debido a que el motor debe desarrollar suficiente potencia para que la bomba produzca la columna H. Esta pérdida puede evaluarse según se señala en el Capítulo 8.
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
150
Curvas Crecientes de Columna. Cuando dos bombas iguales con curvas ascendentes HA operan en paralelo, la carga del sistema debe dividirse igualmente entre ellas. La Fig. 5-6 muestra la curva HQ para cualquiera de dos bombas iguales. Para trazar la curva HQ para las dos bombas operadas 10
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en paralelo, es solamente necesario proyectar los puntos de capacidad a varias columnas sobre la curva a la derecha para duplicar su valor. Por ejemplo, el punto A, de 63.5 lps y 74.20 m de columna, se extiende a la derecha, a 126 lps y 74.20 m de columna, punto B . La intersección a 126 lps, e, se proyecta a 252 lps, punto D, y en la misma manera 189 lps se proyecta a 388 y 252 a 504 lps, según lo indica la línea interrumpida horizontal. La curva trazada a través de estos puntos representa la característica HQ de las dos bombas. Cada bom-' ba está clasificada como de 221 lps con una columna de 60 m, -punto E- de manera que las dos bombas habrán de manejar 442 lps con la misma columna punto F , en la curva mostrada en la Fig. 5-6 para las dos bombas.
CAPACIDAD DE UNA BOMBA
151
La demanda de po,t encia de las dos bombas es de alrededor de 400 hp, punto G en la curva de caballaje para las dos bombas (Fig. 5-6) esta curva ha sido trazada duplicando el caballaje para una bomba y duplicando la capacidad. Por ejemplo, a 63.1 lps, la potencia para una bomba es de 125 hp, punto H. De manera que para las dos bombas es de 250 hp a 126 lps, punto J. Repitiendo este procedimiento con diferentes valores de capacidad, se obtienen una serie de puntos, a través de los cuales puede dibujarse la curva característica de las dos bombas. Si estas bombas operan en un sistema regulado y la demanda aumenta pueden entregar menor capacidad. Como resultado, la columna desarrollada aumenta y es necesaria mayor estrangulación. Por ejemplo, si la demanda disminuye a 315.5 lps, la columna desarrollada aumenta a 79.5 m punto K, y la potencia requerida es de 356 hp punto L. Cada bomba entregará 158 lps contra 69.5 m requerirá 178 hp, punto M. Características Diferentes. Dos pamba s diferentes podrán operar en paralelo pero presentan diferentes problemas con respecto a dos que son iguales. La Fig. 5-7 muestra las características de dos bombas, de las cuales puede usarse cualquiera en un sistema estrangulado. Si los costos de energía son altos, la bomba con las características mostradas por las líneas interrumpidas habrá de preferirse debido a que sus requisitos de potencia a capacidades parciales son menores. En general, sin embargo, una unidad con una curva HQ (línea llena Fig. 5-7) de inclinación pronunciada tiene la ventaja en un sistema estrangulado de una sola bomba que requiere un mayor viaje de la válvula de estrangulamiento, debido a que debe perderse mayor columna en la válvula. La operación de la bomba es pues más estable. Curva de Columna con Caída Pronunciada. A pesar de tener una curva HQ con una curva de bajada pronunciada (línea interrumpida, Fig. 5-7) una bomba de e~te diseño puede usarse generalmente en un sistema estrangulado de una sola bomba debido a que el punto de oVeración se determina por la columna del sistema. En algunos sistemas estrangulados con una sola bomba de curva HQ de caída pronunciada, pueden presentarse sobre flujos. Esto se ha desarrollado a un grado menor con bombas con una curva estable, que se eleve
152
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
constantemente (línea llena, Fig. 5-7) para HQ pero tales casos son raros. Conexiones de Bombas. Cuando dos o más bombas operan en paralelo con una tubería como la de la Fig. 5-8, cada Válvulas de compuer\D una tiene sus propias pér'~álvula de c~~~~r didas de tubería!> y accesoríos, habiendo también pérdidas comunes a ambas bombas. En lugar de usar la curva verdadera HQ, se usa una medida de Válvula de c h~qu~ Válvulas de compuer ta A a B (Fig. 5-8) en estuFIG. 5-8. Disposición simplificada de dios del sistema. Esta es tubería para dos bombas centrífugas la característica real de que operan en paralelo. (Cortesía de las bombas, menos la pérWorthington Corp.) . dida de la columna de tubería y accesorios de A a B. Generalmente, en el sistema estrangulado, particularmente en aplicaciones de columna elevadas tales como alimenación de caldera, las pérdidas en la tubería de cada bomba representan una parte tan pequeña de la columna total que pueden despreciarse. Curvas de Columnas Combinadas. La Fig. 5-9 muestra las curvas características de las bombas, cada una diseñada para 220 lps, 60 m de columna total, punto N, pero con curvas HQ de diferente forma. A y B son curvas HQ de las dos bombas, e es la curva combinada HQ. Incluye valores de D a E en la curva B a la cual se agrega la curva A y se extiende de E a F. El punto G en la curva A es O lps, mientras que E sobre B es 1671ps, con una columna de 68 m en ambas curvas. La capacidad combinada de las dos bombas a 68 m es de O + + 167 = 167 lps. El punto H sobre la curva A se encuentra a 69.8 m y 63.1 lps. Para obtener un punto correspondiente para la curva e hay que trasladar 154 + 63.1 = 217.5 lps y 69.8 m de columna total. A 126 lps sobre la curva A, el punto K, la columna es de 68.30 m. Nuevamente, para obtener un punto correspondiente para la curva e hay que proyectar 164 + 126 = 290 lps y 68.30 m de columna, punto L (Fig. 5-9). Repitiendo esta operación, se obtiene una serie de puntos a través de los cuales la curva e puede extenderse para representar características combinadas de las dos bombas. La construcción de esta curva I
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153
CAPACIDAD DE UNA BOMBA
es el primer paso para encontrar cómo se comportan dos bombas con curvas HQ diferentes, en un sistema. Sistema de Distribución de Agua. Supóngase' que estas bombas se encuentran en un sistema de distribución de agua, ya sea industrial o municipal, y que descargan en un sistema de distribución a una columna total de 60 m. Con esta columna las dos bombas descargan 442 lps, punto M, en donde am300 [>IX¡ 4r> 1 1 1 I ~ ¡p. 1
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bas tienen la misma capacidad, punto N Si el flujo en el sistema disminuye 378 lps, punto 0, las dos bombas desarrollan 64.30 m de columna total. Bajo estas condiciones, la presión en la línea principal es mayor que la deseada por una cantidad que se encuentra tomando la diferencia entre la columna a 278 lps y la basada en el sistema o 64.30 - 60 = 4.30 o 0.425 kg/cm~. Esto debe aceptarse a menos que se use un ajuste de velocidad de algún tipo para controlar la salida de la bomba. De los 378 lps de descarga, 195.5 lps están dados por la bomba B, punto P, y 183 lps por A, punto Q. Para encontrar la división de carga de las dos bombas, después de que se han determinado los puntos de descarga y columna total combinados en la curva e, hay que proyectar horizontalmente a la izquierda e para intersectar las cur-
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154
vas A Y B, como se indica por la línea interrumpida de O a Q (Fig. 5-9). Por ejemplo, si el flujo del sistema disminuye a 315.5 lps, la columna total aumenta a 67.20 m, punto R. Proyectando hacia la izquierda de R, se intersecta la curva B a 173 lps, punto T. Al reducir la capacidad de la bomba a 189 lps -punto U-, la columna total aumenta a 68.90 m. La descarga de la bomba A disminuye a 31.5 lps, punto W, mientras que la de la bomba B disminuye a 92 lps, punto V. El estrangular la descarga hasta que la columna se eleva a 70.10 m, hace que la descarga de la bomba B baje a 148 lps, punto Z. La bomba A no descargará debido a que la columna del sistema ha aumentado más allá del máximo de 69.20 m punto H para esta unidad. La bomba A es por lo tanto, bloqueada de la línea por B, y opera a su columna de corte. Esto puede constituir una condición peligrosa, aun en el caso de que sólo dure un corto tiempo. Más adelante se discute en este mismo capítulo con mayor detalle. Dos bombas no deben operar en paralelo a una capacidad inferior al mínimo seguro para las unidades particulares en cuestión. División de Carga. Supóngase que la bomba A opera sola y que descarga 164 lps a 65.80 m de columna, punto X, cuando B arranca. Ésta última tiene una curva HQ más alta que la de A y toma la carga para bloquear a A de la línea. Si el flujo en el sistema permanece constante a 174 lps la columna se eleva a 68.3 m, punto Y. Pero si B ha estado descargando a 164 lps sola y A ha arrancado, A no podrá suministrar ninguna agua al sistema. Supóngase que estas bombas operan sobre un sistema industrial en donde la demanda cambia lentamente y que una unidad sale de servicio cuando la carga disminuye abajo de 222 lps. Bajo supervisión cuidadosa las dos bombas pueden operar en forma segura en paralelo. A 183 lps flujo combinado, A descarga 143 lps a 67.30 m de columna, punto T (Fig. 5-7 y 5-9). La eficiencia es de 76.8 por ciento punto A; la entrada de potencia es de 165 hp, punto B. La bomba B descarga 172.5 lps punto. S, operando a una eficiencia de 82.3 por ciento, punto e, con entrada de 185 hp punto D. La entrada de potencia total para las dos bombas es 165 + 185 = 350 hp. Si ambas bombas fueran como A, un gasto de 315 lps tomaría 158 lps de cada unidad, punto E (Fig. 5-7) y 173 hp por bomba o 346 hp para las dos. Con ambas bombas como
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CAPACIDAD DE UNA BOMBA
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
B, la potencia para cada una es de 178 hp, punto F, o 356 para las dos bombas. En un caso, con las dos unidades iguales, la potencia de entrada es menor que para dos . unidades distintas, mientras que en el otro es mayor. Esto muestra que el tener ambas bombas iguales de manera que la carga se divida igualmente entre ellas puede no resultar en una reducción de potencia de entrada. Curva de Columna con Caída Pronunciada. Dos bombas similares con características HQ de caída pronunciada (curva interrumpida, Fig. 5-7) pueden causar dificultadp.s de operación cuando operan en un sistema estrangulado. La curva AB (Fig. 5-10) muestra las características HQ de cualquiera de dos bombas iguales operadas en paralelo. La CUl'Va AD es la relación HQ combinada teórica, para las dos bombas, esta curva se ha desarrollado como se explicó para la Fig. 5-6, con la suposición de que las pérdidas de fricción son tan bajas en la tubería de cada bomba que pueden despreciarse. Supóngase una demanda de agua de 110 lps a 68.90 m de columna, punto e, con la bomba No. 1 operando sola , cuando arranca la No. 2. La bomba No. 1 operando a 68.90 m de columna, aplica esta presión a la válvula de cheque de la bomba No. 2 para mantener la válvula cerrada. Esta columna es mayor que la columna de corte, 68.00 m punto A de la bomba No. 2. De manera que cuando esta bomba llega a la 24 I
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
velocidad normal a corte puede desarrollar solamente una columna de 68.00 m que no es suficiente para abrir la válvula de cheque contra 68.90 m, y la bomba no puede descargar al sistema. Hay varios medios para vencer esta dificultad. Considérense las dos bombas en la Fig. 5-8, con la No. 1 operando 110 lps. Estrangulando la válvula de descarga de esta bomba, la presión en el punto B del sistema de la tubería y sobre la válvula de cheque de la bomba No. 2 puede reducirse más abajo de la columna de corte de la No. 2. Cuando arranca la bomba No. 2. De manera que cuando esta bomba llega a la velocidad normal a corte puede desarrollar solamente una segunda bomba en el sistema, requieren generalmente una sincronización cuidadosa de las válvulas y un manejo no menos cuidadoso. División del Gasto. Cuando dos bombas tienen curvas muy caídas HQ (Fig. 5-10) el gasto puede no repartirse igualmente entre ellas aun cuando sean duplicados hidráulicos y operen a la misma velocidad. Por ejemplo, para cubrir una demanda de 142 lps, punto E, la carga se puede dividir igualmente, con ambas bombas operando a 71 lps y columna de 69.60 m, punto F. O bien, bajo esta condición, puede una bomba operar en el punto e, 110 lps y la otra a 31.5 lps, punto G. Aun cuando las columnas en estos puntos son idénticas, esto no asegura una operación estable. No es una buena práctica el operar en paralelo bombas con curvas HQ muy caídas (Fig. 5-10) a capacidades en las que la columna de sistema exceda la columna de corte de las bombas. En la Fig. 5-10 la capacidad es de 132.2 lps y la columna de 68.0 m para una bomba, punto H o 264.4 lps y la misma columna, punto J, para dos. Cuando ambas operan a esta capacidad o a una mayor, se encuentran en la parte estable de sus curvas HQ y el gasto se divide en forma aproximadamente igual, de manera que una sola bomba no puede tomar toda la carga cortando a la otra. Requisitos de Operación. Para que dos bombas puedan operar en paralelo en un sistema estrangulado, deberán : (1) tener curvas HQ que se eleven siempre al acercarse al corte (pendiente negativa) y (2) tener el mismo porcentaje de re~ ducción en capacidad sobre el rango probable de operación o, por lo menos, que entreguen algo de gasto sobre esta región.
157
CAPACIDAD DE UNA BOMBA
Generalmente, dos o más unidades con curvas HQ estables y con columnas de corte aproximadamente iguales,. comparten la carga en forma aproximadamente igual en sus capacidades más bajas. SISTEMAS NO ESTRANGULADOS En un sistema no estrangulado, las bombas, ya sea de características similares o diferentes, pueden trabajar en paralelo en la mayor parte de las aplicaciones, sin dificultad. Para lograr esto, la columna del sistema no debe exceder la de corte de ninguna de las bombas a una capacidad que pueda producirse con la combinación de otras bombas que descarguen en el mismo sistema. Tres Bombas en Paralelo. Tómese, por ejemplo, tres bombas con curvas HQ ¡, HQ" y HQ, (Fig. 5-11). Supóngase que operan en el sistema de la Fig. 5-12 Y que cada bomba Ip.
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22
158
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
tiene tubería y válvulas separadas antes del punto B. Puesto que las bombas son de tamaños diferentes, las pérdidas de columna de A a B son probablemente diferentes para cada tamaño. De la misma manera, puesto que tienen diferentes características de operación, el operar dos o tres en paralelo hace que su capacidad cambie conforme cambia la columna del sistema, de tal manera que al combinar las características de las bombas es necesario utilizar las características netas de cada bomba, medidas de A a B. Igualmente, deben compararse las características combinadas con las del sistema, incluyendo las pérdidas de fricción de B al tanque elevado. En la parte inferior de la Fig. 5-11 aparecen las curvas de pérdidas de columna por fricción para cada bomba, desde A hasta B. Estas curvas están señaladas como hQ" hQ2 Y hQ3' La columna producida por cada bomba, medida de A a B pa. . - - - - -.... - r ra cualquier capacidad, T es la que se muestra en Tanque de reserva o dc COIUlllnn---¡ su curva H Q menos la correspondiente a la curva hQ para la misma capacidad. Así, la bom, ,, ba No. 3, a 75.5 lps, desarrolla 46.6 m, punto H" .~ ~ medidos desde la succión ""' hasta la boquilla de descarga. Las pérdidas de fricción en la curva hQ" E a 75.5 lps es de 2.1 m, o ..., punto h,. Luego, 'la coB , lumna a desarrollar para equilibrar la columna del sistema común a las tres bombas es de 46.6 - 2.1 = 44.5 m, punto ~
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Frc. 5-1.2. Tres bombas co nectadas en pa ra le lo e n un sistema no estra ngulado , con ta nqu e d e rese rv a. (Cortesía d e Worthington Corp),
A 101 lps, la bomba No. 3 desarrolla una columna de 41.2 m, punto H " y las pérdidas de fricción, según la curva hQ" ascienden a 4.1 m,
CAPACIDAD DE UNA BOMBA
159
punto h 2 • Luego, la columna necesaria para descargar agua en el tanque contra la columna del sistema es de 41.2 - 4.1 = = 37.1 m, punto H C2 ' En la misma forma se pueden, localizar los otros puntos, para trazar la curva H cQ", así como para las curvas H eQ, y HJ:~ 2 ' Puesto que las pérdidas de fricción aumentan con la capacidad del sistema, las curvas H"Q son más caídas que las HQ. Con bombas de columnas más bajas, en las que las pérdidas por fricción en la tubería de cada bomba son un porcentaje mayor de la columna total, la curva H eQ puede elevarse constantemente hasta corte, aun cuando la curva HQ baje ligeramente. Características del Sistema. La F'ig. 5-13 muestra las características SS, del sistema, con exclusión de las pérdidas de A a B. Estas son la columna estática de 39.6 m, más las pérdidas de fricción de B al tanque, que aumentan con el gasto, comenzando a 39.6 m, punto S, con gasto nulo. En la misma Fig. se encuentran las curvas H cQ para las bombas 1, 2 y 3, identificadas respectivamente, igual que en la Eig. 5-11, como H eQ" H"Q2 y H cQ:¡ , así como sus características combinadas HcQ. Igual que en cualquier caso de curvas de columna-capacidad combinadas, éstas se obtienen sumando las capacidades de las bombas a igual columna. Esto nos da .la capacidad de la combinación a diferentes columnas, pudiéndose trazar una curva por los puntos encontrados. Por ejemplo, para las columnas medidas de A a B, la bomba No . 1 entregará 24.4 lps con una columna de 48.8 m, 31.4 a 39.6 m, y 36.1 lps a 30.5 m: puntos A l) B , Y e" respectivamente (Fig. 5-13). La No. 2 entrega 38.6 lps a 48.8 m, punto A 2 ; 63.1 lps a 39.6 m, B 2 ; y 78.1 lps a 30.5 m, C 2 • La No. 3 descarga 50.5 lps a 48.8 m, punto A l; 93.4 lps a 39.6 m, B"; y 116.4 lps a 30.5 m, C". Estos valores se identifican por lo.s mismos símbolos en las curvas H .. Q, , H .. Q2 y H cQ" (Fig. 5-11 ). Si las bombas Nos. 1 y 3 operan en paralelo, la capacidad combinada sería de 24.4 + 50.5 = 74.9 lps a 48.8 m. de columna, punto A ,, ; 31.4 + 93.4 = 124.8 lps a 39.6 m, punto Bo; 36.1 + 116.4 = 152.5 lps a 30.5 m, punto Cr. , curva H,Q.-, (Fig. 5-13). De forma semejante, si las tres bombas operaran en paralelo, la capacidad combinada sería 24.4 + 35.6 ..¡.. + 50.5 = 110.6 lps a 48.8 m de columna, punto A¡. 31.4 +
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39.6 m., punto B •. Y 36.1 + 30.5 m de columna, punto C. de la curva H cQ. (Fig. 5-13). Las curvas columna-capacidad H cQ4 Y H CQ6' Para las bombas Nos. 1 y2 o bien Nos. 2 y 3 operando en paralelo se pueden trazar en la misma forma. Los puntos en los cuales se efectúan los cruces de las diferentes curvas H cQ con la curva de columna del sistema, SSl, indican la capacidad que habrá de entregar cada bomba o combinación de bombas, así como la columna neta del sistema contra la que estarán operando . ASÍ, la No. 1 operando sola, entregará un gasto de 31.2 lps a 39.9 m, punto A. La No. 2 descargará 61.5 lps contra 40.5 m, y la No. 3, 87.7 lps a 41.1 m, puntos B y e, respectivamente. Cuando operan en paralelo, las Nos. 1 y 2 descargarán 89.6 lps contra 41.4 m, punto D. La No. 1 en paralelo con la No. 3, a 42 .1 m de columna, 89.6 lps, punto E. Las Nos. 2 y 3, a 43.8 m, 136.3Ips, punto F. Las tres, contra 44.2 m, punto G, 157.81ps. Capacidad de las Bombas. Para encontrar la capacidad que desarrolla cada bomba, hay que referirse a la curva H"Q a la columna de operación correspondiente. Por ejemplo, las tres bombas juntas descargan 157.8 lps contra una columna de 44.2 m, medidos de A a B (Fig. 5-12). De la curva H cQ en la Fig. 5-13, se encuentra que la No. 1 entrega 28.4 lps, punto H. La No. 2, 52.7 lps, punto J y la No. 3 entrega 76.7 lps -todas a 44.2 m de columna, punto K. Estos valores pueden también identificarse sobre las curvas H cQ en la Fig. 5-11. Las curvas HQ muestran también que la columna que desarrollan las bombas, desde la succión a la boquilla de descarga es de 46.6 m para la No. 1, 46.0 m para la No. 2 y 46.3 m para la No. 3: puntos L , M Y N , respectivamente. Sistemas Diferentes. La columna de la mayor parte de los sistemas no estrangulados consiste de una componente estática mayor, con una componente relativamente menor de fric ción, a la capacidad máxima de bombeo , tal como las curvas SS, (Fig. 5-13) . En este sistema la región total de operación del sistema es aproximadamente de 42.7 a 46.6 m de 'columna. La curva S ~ S" en la Fig. 5-1 3 muestran un sistema con una columna estática disminuida en 3 m y columna de fricción mayor que SS ,. La columna en el sistema de curva más pronunciada resulta en un aumento menor de capa cidad al agregar otra bomba. Por ejemplo, al pasar de la condición
162
CAPACIDAD DE UNA BOMBA
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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de bombas No. 2 y 3 en servicio a las tres juntas aumenta la capacidad de 137 a 158 lps, o sea 21 lps puntos F a G en las curvas de sistema 88 •. En el sistema 8 28 3 la capacidad aumenta de 111 lps, punto O a 121 punto P , o 9.5 lps, comparados con 21 en el sistema 88 •. Se ha mencionado antes que las bombas de características diferentes pueden operar en paralelo si la columna del sistema no excede la columna de corte de ninguna de las bombas a cualquier capacidad producida por una combinación de las demás bombas del sistema. Si las tres bombas de la Fig. 5-11 se encuentran en un sistema con una curva de columna 8 4 8 5 (Fig. 5-13), las No. 1 y 3 juntas pueden entregar 70.7 lps 49.4 m de columna punto R. La No. 2, al arrancar, no puede .descargar al sistema ya que su columna de corte es de solamente 48.8 m (Fig. 5-11) , así pues, para el sistema 848~ la operación en paralelo estará limitada a dos bombas y nunca a las tres. Así también, con 49.4 m de columna, las Nos. 2 y 3 operando en paralelo sobre una columna del sistema 8'1 8 5 , tienen prácticamente la misma capacidad que las Nos. 1 y 3. Sistemas de Fricción. La columna de un sistema de circulación de agua de condensador es prácticamente toda fricción. Un sistema así generalmente usa dos bombas de igual capacidad. Ambas estarán en servicio en verano, cuando las temperaturas del agua son altas, y una sola en invierno cuando son bajas. La Fig. 5-14 muestra sin entrar en detalles, cómo se desarrollan las curvas de columna del sistema, así como los resultados que se obtienen con dos bombas 'duplicadas sobre un sistema de agua de circulación. La operación de una sola bomba da 135 lps a unos 5.50 m de columna total, punto A , mientras que la capacidad de operación de dos bombas es de 202 lps a 7.6 m de columna, punto B. Con estas características de bombas y sistema, el aumento de capacidad solamente de 202 - 136 = 76 lps, o sea menos de la mitad de una bomba operando sola. Por conveniencia, cuando se cotizan varias bombas duplicadas en paralelo, los fabricantes muestran, en su curva de la bomba individual, las curvas de columna del sistema contra la capacidad de la bomba (Fig. 5-15) en lugar de dar curvas ' como la Fig. 5-14, en donde las características de una bomba y dos bombas se encuentran indicadas contra la capacidad del sistema. Cualquier método muestra los resultados que pue-
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164
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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obtenerse, pero la Fig. 5-15 indica la eficiencia y caballaJe para la operación de una y dos bombas en una forma más simple. Selección de Bombas. Cuando varias bombas operan sobre un sistema no estrangulado, generalmente se adquieren para las capacidades y columna total correspondiente a la demanda máxima. Por ejemplo, en el sistema de la Fig. 5-12 , cuyas características menos pérdidas de A a B son la curva SSt (Fig. 5-13), puede desearse un gasto de 189 lps con todas las bombas en operación. Esto requeriría bombas con un total de 189 lps contra 45.7 m de columna más las pérdidas de A a B. Éstas son aproximadamente 3 m. Así pues, se considerarán bombas para una columna de 48.7 m. 20 ¡'
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En un sistema así, la demanda puede ser constante o variar a lo largo de un margen pequeño o grande. Como .resul~ad?,.la selección de un número de bombas y sus capacidades mdIvIduales dependerán de estos factores. Al seleccionar las bombas hay que recordar varios puntos si la columna cambia cuando hay menos unidades en servicio: . . 1. Sel~cciónese la capacidad de los motores para la potenCIa requenda sobre la región de columnas sobre las cuales habrán de operar las bombas.
CAPACIDAD DE UNA BOMBA
165
2. Si una parte considerable de la operación se efectúa a capacidad reducida con una columna total reducida, selecciónense las bombas de manera que la eficiencia máxima se encuentre en las columnas medias de operación. Como ejemplo, • tómese una bomba para 76 lps a 43.6 m de columna que vaya a usarse con otras en un sistema cuya columna de operación varíe de 36.6 a 43.6 m, con 41.1 m de promedio. La bomba de la Fig. 5-16 sería una selección ideal con buena eficiencia en los puntos alto y bajo, A y B y una eficiencia máxima a aproximadamente 41.1 m. 3. Con una columna total reducida, una bomba centrífuga desarrolla mayor capacidad. Esto significa menos columna de succión neta positiva (cspn) debido a que la fracción aumentada en la línea de succión, causa una columna de succión reducida o una elevación de succión aumentada. Sin embargo, con capacidad aumentada la bomba requiere mayor cspn. Hay que tener cuidado que la cspn a columna reducida, B Fig. 5-16, iguala o excede a la que requiere la bomba . Bombas Existentes, Bombas Nuevas. La operación satisfactoria de dos o más bombas centrífugas en paralelo depende de las características del sistema y de las bombas. Para determinar si las bombas existentes son adecuadas para operar en paralelo, deben conocerse las características de bombas y sistem~. Para detalles del efecto de un cambio en la velocidad de la bomba sobre la capacidad, así como para las curvas características obtenibles, con varios motores y combinaciones de motores, ver el Capítulo 8. Gasto Adecuado para la Bomba. Hay dos factores más que merecen consideración cuando las demandas de gasto varían y son: potencia requerida y calentamiento de la bomba. En una unidad que tenga una curva pronunciada de potencia requerida con el aumento o la reducción de gasto, un cambio pronunciado en el gasto puede sobrecargar al motor de la bomba, lo' que a su vez puede causar daño. Esto puede hacer que el motor se sobrecaliente y llegue inclusive a quemarse si se trata de un motor diesel o de gasolina. A capacidades reducidas, las bombas centrífugas, pueden sobrecalentarse debido a que las unidades de este tipo tienen lo que se conoce como flujo adecuado mínimo . Si la unidad opera a capacidad menor, la temperatura del líquido bom-
166
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
beado se eleva hasta que se presenta la vaporización. La unidad comienza a vaporizar y deja de bombear. El caballaje de freno (bhp) necesario para mover una bomba centrífuga es el que el motor suministra al copIe. El caballaje de agua (whp) desarrollado 'es el trabajo efectivo que desarrolla la bomba. La eficiencia de la bomba es whp/ bhp. Bhp incluye todas las pérdidas, mecánicas e hidráulicas. Las pérdidas mecánicas se encuentran en chumaceras, empaques, discos y otros puntos sujetos a fricción. Las pérdidas hidráulicas se presentan en los pasajes del impulsor y la voluta, incluyendo escapes. Las pérdidas por escapes ocurren en los anillos de desgaste, boquillas de escape o entre los distintos pasos y medios de balanceo cuando se usan. El calor generado por la fricción hidráulica y de los discos hace que la temperatura del fluido se eleve durante su pasaje por la bomba. Las pérdidas de chumaceras y empaques son de uno a dos por ciento del total. Éstas se desprecian generalmente cuando se calcula la elevación de la temperatura del líquido. La elevación causada por la diferencia entre bhp y whp se llama caballaje de calor. Fórmula de Elevación de Temperatura. La Fig. 5-17 muestra las características de una bomba centrífuga. Su columna, eficiencia, bhp y aumento de temperatura se encuentran trazadas en fusión de la capacidad en lps. La curva de elevación de temperatura se calcula de la fórmula siguiente: (1 - E)H t = -'-----'-427E
(5-1)
donde t = al aumento de temperatura, oC; E = eficiencia, expresada en forma decimal; H = columna dinámica total, m. El flujo adecuado mínimo a través de una bomba centrífuga depende de las condiciones de succión, especialmente en alimentación de calderas. En estos casos, la columna de succión positiva (cspn) determina el flujo adecuado ya que limita el aumento de temperatura del agua antes de que vaporice. Esto se conoce como elevación permisible de temperatura. Flujo Mínimo Adecuado. Supóngase que la bomba de la Fig. 5-17 trabaja con agua a 104.4 oC y con una cspn de 5.7 m. A 104.4°C, la presión del vapor es de 1.21 kg/cm~ y
167
CAPACIDAD DE UNA BOMBA
la densidad es 0.955: La cspn para 5.7 m = 5.7 X 0.955 = = 0.55 kg/cm 2 104.4°C. La presión del vapor a la que puede elevarse el agua antes de vaporizar es 1.21 + .55 = 1.76 kg/cm". Esta presión corresponde a 115. oC. El aumento permisible de temperatura del agua es pues 115.5 - 104.4 = = 11.1 oC. Un aumento de 11.1 oC sobre la curva de temperatura corresponde a 3 lps, punto A (Fig. 5-17). Este es el flujo mínimo adecuado para esta bomba cuando trabaja con agua a 104.4°C con una cspn de 6.1 m. lJ-_. 50 ~
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Aproximaciones Sucesivas. El indicar la elevación de temperatura para una bomba y luego averiguar la capacidad a la cual ésta es igual a la elevación permisible, es un método exacto de calcular el flujo adecuado mínimo. Este valor frecuentemente se encuentra por aproximaciones sucesivas, como sigue: se averigua la elevación de temperatura para una capacidad mínima por tanteo. Si esto coincide aproximadamente con la elevación permisible, el flujo adecuado mínimo se elige de acuerdo. Si hay demasiada diferencia entre el aumento de temperatura de tanteo y el calculado, úsense otras capacidades de bomba hasta que se encuentre una satisfactoria. Con práctica es fácil encontrar el flujo permisible mínimo. Otros Métodos. Puede encontrarse un valor para el flujo permisible mínimo, lo bastante exacto para objetivos prác-
168
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
ticos, sin usar el método de aproximaciones sucesivas, de la fórmula: N =
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donde N = eficiencia de la bomba en por ciento, al valor del flujo permisible mínimo; h = columna de corte de la bomba, en m; t = elevación permisible de temperatura, oc. Columna total
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Esto muestra que la elevación es prácticamente la misma que en el caso de proceso exacto. Así se habrá obtenido una respuesta satisfactoria en el primer intento, con la ecuación(5-2)
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Supóngase que la bomba de la Fig. 5-17 trabaja con agua a 104.4°C, la cspn es de 5.7 m. Según se vio antes, la elevación de temperatura permisible es de 11.1°C. La columna de corte h es 975 m, punto B. Luego, la eficiencia para el flujo permisible mínimo es
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CAPACIDAD DE UNA BOMBA
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Fra . 5· 19. Un columpio en la tubería de succión de la bomba rotatoria que evi ta los arranques en seco. (Cort esía de Worthington Corp.) .
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Si se desea, la Fig. 5-18 se puede usar en lugar de la ecuación (5-2). Da esencialmente los mismos resultados, según puede verificarse resolviendo el problema anterior por medio de la gráfica. Otras Clases de Bombas. En general, las bombas rotatorias y reciprocan tes no tienen restricciones de flujo mínimo. Sin embargo, es aconsejable el elegir estas unidades con
170
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
capacidades tan cercanas a la normal como sea posible debido a que se obtiene mejor eficiencia. Aun cuando las bombas rotatorias pueden arrancarse en seco, se recomienda un sifón invertido (Fig. 5-19) o una válvula de cheque en la línea de succión. Así, las partes en movimiento se encontrarán mojadas cuando se arranca la bomba. Esto evita el contacto de metal con metal. Una bomba reciprocante no debe arrancarse en seco.
CAPíTULO
6
LíQUIDO MANEJADO
El líquido manejado por una bomba afecta (1) la columna y capacidad a las cuales puede operar la unidad; (2) la potencia demandada por la bomba y (3) los materiales de construcción que deben usarse para asegurar una vida satisfactoria de la bomba. En los problemas de bombeo se encuentran cuatro clases de líquidos, además del agua: (1) viscosos; (2) volátiles; (3) químicos y (4) líquidos con sólidos en suspensión. Cada uno de ellos requiere un estudio cuidadoso debí'do a que su manejo puede presentar dificultades en cuanto a la 'selección de bombas, construcción y uso. LíQUIDOS VISCOSOS Viscosidad. Ésta es una de las dos propiedades que requieren consideración cuando se bombean líquidos viscosos. La otra es la densidad del líquido. Los textos sobre mecánica de los fluidos discuten las unidades de viscosidad, su derivación y uso. Para los problemas de bombeo, la viscosidad puede considerarse como una medida de la fricción interna de un líquido, que produce una resistencia al flujo a través de un tubo, válvula, bomba, etc. Aun cuando se usan gran número de unidades de viscosidad diferentes, la mayor parte de los ingenieros trabajan comúnmente con tres. unidades: segundos universal Saybolt (SSU) centistokes (viscosidad dinámica) o centipoises (viscosidad absoluta). La Fig. 6-1 muestra la relación entre viscosidad y temperatura para algunos de los líquidos comunes con diversas densidades. Es útil para determinar la viscosidad de muchos líquidos que se encuentran comúnmente en problemas de bombeo. Los datos de viscosidad son importantes para calcular las pérdidas de fricciones en sistemas de tubería con líquidos viscosos.
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172
Flujo del Líquido. Cuando un líquido pasa a través de un tubo, el flujo del líquido puede ser laminar o .turbulento, dependiendo de la velocidad del líquido, diámetro del tubo,
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LíQUIDO BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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175
viscosidad del líquido, y densidad. Para un líquido y un tubo dados, estos cuatro factores están expresados en función de un número dimensional, conocido como un número de Reynolds, y representado por R. Para valores de R menores de 2000, el flujo es laminar. Las partículas del líquido siguen trayectorias que no se intersectan, sin torbellinos o turbulencia. Cuando R es aproximadamente mayor de 4 000, se dice que existe un flujo turbulento. En este caso las trayectorias de las partículas líquidas son sumamente irregulares, y continuamente se cruzan. En la zona crítica 2000 < R < 4000, generalmente se considera que el flujo es turbulento, al resolver problemas de pérdida~ de fricción. Esto da resultados dentro del margen de seguridad ya que las pérdidas de fricción son mayores para flujos turbulentos de lo que son para flujos laminales. En caso de que el flujo sea en realidad laminar, el tubo calculado resultará de mayor tamaño que el necesario, pero tanto que lo haga antieconómico. Pérdidas por PresiónFlujo Laminar. Para determinar las pérdidas de presión en tubos con f 1 u j o laminar: ( 1) calcúlese el número de Reynolds de la ecuación (6-1). (2) Exprésese la viscosidad de líquido en cen tipoises, usando la f-Factor de fricción paro tubo limpio hierro forjado y Fig. 6-2 si es necesario. (3) acero Éntrese a la Fig. 6-3 con vis01 'cosidad, velocidad de flujo y diámetro del tubo para Fra . 6-4. Factores de fricción para tubería limpia de acero, hierro fordeterminar las pérdidas de jado, galvanizado, o colado, así copresión, kgjcm 2 por 100 m. mo cemento.
176
LíQUIDO
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Ejemplo: D etermínense las pérdidas de presión en 153 m de tubo cédula 40 de 10.2 cm de acero, cuando el gasto es de 2.6 Ips y el líquido es aceite crudo de 1 000 SSU y con una densidad de 0.9250. Solución: (1) D ete rmínese el número de Reynolds de (6-1)
donde R = al número de Reynolds ; s = densidad del líquido, con res pecto al agua; lps gasto, en litros por segundo; d = diámetro in-
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FIG. 6-5.
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Pérdidas de presión con flujo turbulento. (Co rtesía de Crane Co.)
terno del tubo, cm ; c = viscosidad absoluta del líquido en centipoises. Usando la Fig. 6-2 éntrese a la izquierda con un valor de 1 000 SSU y proyéctese a densidad 0.925, hacia la derecha. En la intersección con la esca la central léase la viscosidad absoluta como 200
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centipoises. Luego R = 127310 (0.925) (12.6) / (10.2) (200) = 732. El flujo es laminar porque R es m enor de 2000. (2) Este paso se efectuó como parte de (1), arriba. (3) Éntrese a la Fig. 6-3 a la izquierda con 200 centipoises y proyéctese a 12.6 lps. De la intersección de esta línea con el eje de índice, dibújese una recta a través de 10.2 cm en tubo de cédula 40. Extiéndase esta línea a la derecha y léanse las pérdidas de presión como 0.92 kg/cm 2 por 100 m . (4) Las pérdidas de presión en 153 m de tubo son, po r lo tanto (153/100) (0.92) = 1.41 kg/cm 2 •
(4) Conviértanse estas pérdidas de acuerdo con la longitud real del tubo.
R = 127310s (Ips)/dc
MANEJADO
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Pérdidas de Presión-Flujo Turbulento. Cuando el número de Reynolds se encuentra entre los 2000 Y los 4000 el procedimiento más conveniente es el de suponer que existe flujo turbulento. Para valores mayores de 4 000, el flujo es turbulento para todos los líquidos. Para resolver estos problemas: (1) Determínese el número de Reynolds de la ecuación (6-1). (2) Encuéntrese el factor de fricción correspondiente de la Fig_ 6-4. (3) Usando este factor el flujo, densidad, y tamaño del tubo, encuéntrense las pérdidas de fricción , en bg/cm 2 por 100 m de la Fig. 6-5. (4) Conviértanse estas pérdidas a las correspondientes a la longitud real del tubo. Ejemplo: Determinar las pérdidas de fricción en 1524 m de tubo de 30.5 cm DI de acero comercial, con un flujo de 157.7 lps de aceite crudo de una densidad de 0.90 y una viscosidad de 40 centipoises. Solución: Para esta tubería, R = 127,300(0.90) (157.7)/(30.5) (40) = 14850 (2). E ntre la Fig. 6-4 con este valor de R y proyéctese como se muestra para leer las pérdidas de columna po r fricción como 0.031. (3) Usando este valor. éntrese en la Fig. 6-5 Y proyéctese como se muestra para leer las pérdidas de columna por fricción como 0.224 kg/cm 2 por 100 m . (4 Luego, las pérdidas de presión en 1524 m de tubería son (1524/100) (0.224) = 3.41 kg/cm 2 •
Nótense algunos aspectos de las Figs. 6-2 a la 6-5. Cualquier problema de flujo de líquido puede resolverse usando estas gráficas según las direcciones anteriores debido a que todos los cálculos de pérdidas por presión son ya para flujo laminar o turbulento. Estas gráficas pueden usarse para cualquier líquido, siempre y cuando el número de Reynolds haya sido determinado antes de entrar a la gráfica de flujo viscoso, turbulento. Si se desea, puede usarse la siguiente ecuación en lugar de la Fig. 6-5: ( 6-2) donde h = pérdidas de columna por fricción, en metros de líquido bombeado ; f = factor de fricción de la Fig. 6-4; V =
178
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
LÍQUID O
= velocidad media del líquido en el tubo, metros por segundo', D = diámetro interno del tubo, metros; g = 9.8 m por
seg 2• La velocidad del líquido puede encontrarse de V =
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donde V = velocidad del líquido, m por seg. Los otros símbolos iguales a lo anterior. El diámetro del tubo puede dedu-' cirse de la fórmula anterior. Úsese la Fig. 6-3 solamente para flujo laminar; la Fig. 6-5 es adecuada solamente para flujo turbulento. Estas gráficas tienen amplitud y exactitud suficientes para la mayor parte de los problemas que se presentan generalmente en sistemas de bombeo. Para otros métodos de determinarlas pérdidas de presión con flujo laminar o turbulento, véase el "Manual de Fricción de Tubería", del Instituto de Hidráulica. Gráficas para Mezclas de Viscosidades. Cuando se mezclan dos líquidos antes de bombearse a través de una tubería, la viscosidad final después de la mezcla será generalmente diferente de la viscosidad inicial de cualquiera de los dos líqui200 150
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Gráfica de combinaciones de viscosidad. (Cortesía del Hidráulic . lnstitute
dos. Para determinar la viscosidad que habrá de emplearse para cálculos de pérdidas de presión de tales líquidos, puede usarse la gráfica de la Fig. 6-6. Para encontrar la viscosidad final de una mezcla, éntrese con la viscosidad más baja en el lado izquierdo de la gráfica y
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MANEJ AD O
179
la viscosidad inicial mayor en el lado derecho. Trácese una línea recta entre estos dos puntos. Determínese la viscosidad final de la mezcla partiendo de un punto en la abilcisa de la gráfica correspondiente a la composición en porcentaje, y pro·· yectando verticalmente hacia arriba hasta que se intersecta la línea adecuada, y finalmente leyendo la viscosidad de la mezcla en la escala derecha o la izquierda. De hecho, en el Ejemplo 1 de la Fig. 6-6, una mezcla 20-80 tiene una viscosidad final de 56 SSU, mientras que en el Ejemplo 2 una mezcla 55-45 tiene una viscosidad final de 62 SSU. Nótese que la viscosidad final puede leerse en cualquier lado de la gráfica, ya que ambas escalas verticales contienen la misma subdivisión. . Pérdidas en Accesorios. Igual que para otros líquidos) las pérdidas en los accesorios se encuentran usando la longitud equivalente del accesorio particular y determinando las pérdidas para un tubo recto de esta longitud, si el flujo es turbulento. Para flujo laminar, es algo más difícil el encontrar las pérdidas en los accesorios debido a que existen pocos datos disponibles con los valores exactos necesarios para los cálculos. Cuando la viscosidad del líquido es baja y el flujo se encuentra cerca de la región turbulenta, deben usarse las longitudes equivalentes de accesorios dados en la Tabla 4-2. Con viscosidades altas, arriba de 500 000 SSU, el efecto de los accesorios es pequeño cuando el flujo es laminar. La práctica común bajo estas condiciones es la de usar solamente la Ion .. gitud real del accesorio, en lugar de su longitud equivalente. Cuando la tubería es extremadamente larga comparada con la longitud del accesorio -o su longitud equivalente-- por ejemplo, 3 m en una tubería de 1 500 rrl, la longitud del accesorio o su equivalente pueden despreciarse en todo los cálculos usuales de pérdidas de presión. Para viscosidades intermedias, de O a 500000 SSU y flujos de 63 lps, la longitud equivalente del accesorio obtenido de la Tabla 4-2, deberá multiplicarse por el factor aplicable de la Tabla 6-l. Bombas Centrífugas. Los líquidos viscosos afectan la operación de las bombas centrífugas en tres formas: (1) La bomba desarrolla una columna menor que cuando maneja ag~a, (2) la capacidad de la bomba se reduce cuando se manejan líquidos de viscosidad moderada o alta, y (3) el caballaje demandado es más alto. En cada caso, la operación de la
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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Tabla 6-1.
Factores de Accesorios para F lujo Laminar 100
(Flujo n ormal de O a 63.1 lps)
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Ejemplo: Seleccionar una bomba con un gasto de 47 lps de aceite de 1 000 SSU y con una columna total de 30.5 m. E l aceite tiene una densidad de 0.9 a la temperatura de bombeo. Solución: Se entra a la F ig. 6-7 en 47 Ips y se proyecta verticalmente hask'l la intersección ~on la curva de columna de 30.5 m . D e este punto se proyecta horizontalmente a la viscosidad correcta en la curo va y luego hacia arriba a la curva de fa ctor de corrección Para este ejemplo, C Q = 0.95, C II = 0.92 (para 1.0Q XII) y CI:: = 0.635. Las cantidades Q , R , y E se refieren a factores corrección que se aplican para capacidad, columna y efi ciencia respectivamente, mientras que como NIV se refieren a la capacidad 'd e agua a una eficiencia particular. Para má xima eficiencia, la ca pacidad para agua está dada como 1.0QN1P Las demás capacidades se expresan por números mayores o menores que la unidad. La capacidad de agua requ erida = Q"IC Q, doncle Q,. = capacidad viscosa , lp s. Para esta bomba, Q1V = 47/0 .95 = 50 lps. En. la misma fonna la columna de agua = R w = H ,'/C,¡ , donde l-L = columna vis-
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bomba que maneja un líquido viscoso se compara con la misma bomba que maneja agua a temperatura normal -de O a 27°C- . La mayor potencia demandada proviene de una mayor fricció n en los impulsores, y es constante sobre una región de capacidad muy amplia. Corrección de Características. La Fig. 6-7 indica los factores que se han de aplicar para encontrar el comportamiento de una bomba centrífuga convencional que maneje un líquido viscoso, cuando se conocen sus características para agua o bien encontrarse en curvas o tablas. Hay que usar esta gráfica, sólo dentro de sus límites de escala: no se debe extra· . polar. No se use para bombas de fluj o mixto o especial, o para bombas de diseños especiales. Úsese para líquidos uniformes-lodos, gelatinas, pasta de papel, etc.; pueden arrojar resultados incorrectos. La cspn disponible se supone adecuada para la bomba.
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
cosa. O bien 11.10 = 30.5/0.92 = 33.2, digamos 33 m de agua. Hay que elegir una bomba que entregue 50 lps agua a 33 m de columna y se obtendrá la columna viscosa requerida así como la capacidad. La bomba elegida deberá operar a o cerca de su eficiencia máxima en agua. Si ésta es 81 por ciento a 50 lps, la eficiencia con líquido viscoso, Ev = E,v (CE)' donde E w = eficiencia del agua. Para esta unidad E ·v 0.81 (0.635) = 0.5 15, o 51.5 por ciento. La demanda de potencia de la bomba cuando se maneja,n líquidos viscosos está dada por P v = Qv (HV> (sg) /76,2(E v ) ' donde P v = caballaje de entrada para líquidos viscosos; sg = densidad del líquido viscoso. Los demás símbolos igual que antes. Así que, para esta unidad, P v = 47(30.5) (0.90)/76.2 (0.515) = 33.1 hp.
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Trazo de las Curvas Características. La Fig. 6-7 puede también usarse para trazar las curvas características completas de una bomba centrífuga que maneja un líquido viscoso cuando se conocen las características del agua. Para hacer esto: (1) obténgase una curva característica de la bomba que se va a usar. (2) Localícese el punto de máxima eficiencia cuando se maneja agua. (3) Léase la capacidad en este punto. (4) Calcúlense los valores de 0.6, 0.8 Y 1.2 veces la capacidad a eficiencia máxima. (5) Usando la Fig. 6-7, determínense los factores de corrección a las capacidades dadas en (3) y (4), arriba. Cuando se considera una bomba de varios pasos, úsese la columna por paso el). lugar de la columna total desarrollada cuando se utiliza la Fig. 6-7. (6) Corríjase la capacidad, columna y eficiencia para cada uno de los gastos en (3) Y (4). (7) Localícense la columna y eficiencia corregidas contra la capacidad corregida, como en la Fig. 6-8. (8) Calcúlese la demanda de potencia para cada gasto y localícese. Dibújense curvas para unir los puntos obtenidos. La Fig. 6-8 muestra las curvas corregidas para una bomba que maneja aceite de 1000 SSU y con una densidad de 0.90. La capacidad de esta bomba y su mejor eficiencia con agua es 47 lps. Las curvas de líneas interrumpidas muestran las características corregidas cuando maneja aceite. Nótese que la columna total para bombas de un solo paso y la columna por paso en las bombas de varios, son los únicos valores adecuados para usarse en la Fig. 6-7. Aire o Gases Atrapados. Estos reducen severamente la capacidad de las bombas centrífugas horizontales si el aire o gas ocupa más de 5 por ciento del volumen líquido. En las bombas verticales la reducción es severa cuando la cantidad
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FIG . 6-9. Características de operación de bombas regenerativas con agua y aceite. (Cort esía de Aurora Punip Division , The New York Air Brake Co.)
de aire o gas excede al 10 por ciento, excepto en los tipos de impulsor y de flujo mixto, en las que la reducción es sólo moderada. Bombas Regenerativas. Las bombas del tipo turbina * o regenerativas que manejen líquidos viscosos muestran los * En todo el libro la palabra turbina está acompañada por otra palabra que ayuda a la identificación, tal como regenerativa, pozo profundo , o acoplamiento estrecho de manera que puede identificarse fácilmente el tipo de bomba a la que se hace referencia. Ver Cap. 1.
184
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
mismos efectos que se han discutido antes-columna y capacidad reducidas, aumento en potencia demandado. Cuando la viscosidad del líquido excede a 500 SSU, la capacidad se reduce considerablemente y hay un gran aumento en la entrada de potencia. La eficiencia resultante es tan disminuida en comparación con una de desplazamiento positivo, que rara . vez se usan las bombas regenerativas en líquidos de alta viscosidad. La Fig. 6-9 muestra las características típicas de una bomba turbina que maneja líquidos de varias viscosidades. Bombas Rotatorias. Las bombas rotatorias ajustadas, de varios tipos, se adaptan particularmente bien a manejar líquidos claros y viscosos y aun de viscosidades muy variables. Algunas bombas rotatorias tienen una capa de vapor para reducir la viscosidad del líquido y permitir el bombeo a menores demandas de potencia. Los líquidos con viscosidades de 250000 SSU se manejan con bombas rotatorias de modelo normal de distintos tipos -para viscosidades mayores generalmente se requieren diseñes especiales. Las bombas rotatorias pueden manejar una variedad de líquidos viscosos y no viscosos, incluyendo agua, gasolina, petróleo, amonio, freón , etc. Cuando la temperatura del líquido que se maneja en una bomba rotatoria excede de 177°C, debe usarse una caja de estoperos con capa de agua. A temperaturas superiores, a 232 °C, se recomienda generalmente una carcaza de acero colado para la bomba. Cuando la viscosidad ' del líquido excedé a 600 SSU, muchos fabricantes recomiendan que la velocidad
LÍQUIDO
185
MANEJADO
de la bomba rotatoria se reduzca para permitir su operación sin ruido e vibración excesivo. La Tabla 6-2 muestra las reducciones de velocidad típicas recomendadas por un fabricante. Así, una bomba que maneje aceite de 10000 SSU con una velocidad normal de 800 rpm deberá operar- a 800- (800) (0.50) = 400 rpm, si se aplican los valores de la tabla. La capacidad de la bomba habrá de variar directamente con la velocidad, y en este caso será de la mitad de la correspondiente a la velocidad nermal. Aire o Gas Atrapado. Muchos de los líquidos manejados por bombas rotatolÍa.s contienen gases atrapados o disueltos. Por ejemplo, los aceites de lubricación a presión y temperatura atmosféricas puede contener hasta 10 por ciento disuelto por volumen. La gasolina, bajo condiciones similares puede contener hasta 20 por ciento. Cuando la presión de entrada de una bomba rotatoria es inferior a la atmosférica, el gas atrapado se expande, ocupando parte del volumen de desplazamiento de la bomba y reduciendo la capacidad líquida. La Tabla 6-3 muestra el efecto de gas atrapado o disuelto sobre la capacidad líquida de una bomba rotatoria con una T abla 6-3 .
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Tabla 6-2. R educción de Velocidad en una Bomha Rotatoria Viscosidad d el líquido SSU
R educción de velocidad, % de la velocidad normal de la bomba
600 8100 1000 1 500 2000 4000 6000 8000 10000 20000 30000 40000
2 6 10 12 14 20 30 40 50 55 57 60
en la entrada de la bomba , mm da Hg 127, 254 :18J 508
63"
Comhinación de ga!' con te· nido y gas d is ue lto
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186
LÍQUIDO
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
preSlOn de entrada inferior a la atmosférica. La capacidad líquida de una bomba rotatoria se reduce teóricamente por lo menos en proporción directa a la cantidad de aire o gas presentes en la brida de entrada a la bomba. La reducción real es mayor, dependiendo del volumen desperdiciado en la bomba y de la reducción de presión dentro de la misma. Bombas Reciprocantes. Para líquidos viscosos, hay que reducir la velocidad del pistón de las bombas reciprocan tes de acción directa en el tipo de potencia. Puesto que la capacidad de la bomba es una función de la velocidad del pistón, estas bombas entregan una capacidad menor con un líquido viscoso que con agua porque la velocidad de la bomba también es menor. La Tabla 3-3 muestra el efecto de la viscosidad sobre la velocidad de la bomba. Así, una bomba que maneja 6.3 lps de agua a 50 revoluciones o carreras por minuto, deberá operarse a sólo 0.80(50) = 40 rpm y entregará 20 por ciento menos de capacidad, o sea 5.04 lps cuando maneja aceite crudo de 2 000 SSU, si es que son aplicables los valores de la Tabla 3-3. Véase el Cap. 7 para índice de diseño de tuberías para bombas que manejan líquidos viscosos. El aire o gas atrapado tiene sólo un efecto ligero sobre la capacidad de las bombas reciprocantes.
Presión de Vapor. Antes de que puedan efectuarse cálculos para la cspn, debe obtenerse la presión de vapor del líquido volátil en las condiciones de succión de la bomba. La Fig.6-10 da los valores aproximados para presiones de vapor de algunos líquidos volátiles a diferentes temperaturas. Los valores obtenidos de esta gráfica son satisfactorios para muchos problemas, pero siempre que sea posible debe obtenerse la presión real del vapor del líquido que se maneja por una prueba. Ver el Cap. 9 para encontrar los índices que se apli300
La gasolina, kerosina, nafta, líquidos refrigerantes y similares se clasifican generalmente como volátiles porque vaporizan fácilmente a temperaturas y presiones atmosféricas normales. Sin embargo, cualquier líquido a o cerca de su temperatura de ebullición se encuentra en un estado volátil y puede clasificarse como tal, por lo que respecta a su efecto sobre una bomba. El problema principal que se encuentra para bombear líquidos volátiles es el de la columna de succión positiva neta (cspn). Como se ha discutido antes (Cap. 4), la cspn del sistema debe ser igualo mayor que la requerida en la bomba para evitar la vaporización del líquido en el tubo de succión. La vaporización en el lado de descarga de la bomba rara vez representa un problema porque la presión es generalmente lo bastante alta para producir una temperatura de ebullición mucho más alta.
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Presión aproximada de va porización p a ra varios líquidos. (C ort esía d e Jahn stan Pump C a. )
188
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
can a la tubería de succión para bombas que manejan líquidos volátiles. Cuando se maneja gas oil, kerosene o hidrocarburos similares con presión de succión nominal únicamente, puede usarse un lubricador del tipo de bastón de grasa para inyectar grasa en la jaula de sello, si la grasa no es inconveniente desde el punto de vista de contaminación. Las Figs. 1-29 y 1-30 muestran algunos anillos y estoperos para sellar. Cuando la presión de succión de la bomba es tan alta que el empaque no puede funcionar correctamente, puede proveerse una chumacera de sangría en el extremo de entrada de la caja. Esta chumacera tiene la apariencia de una caja de sello y el líquido sangrado por ella pasa a la co nexión de sangría que va· .a una región de menor presión. Siempre que se manejan líquidos volátiles, deben considerars,e los sellos mecánicos. Estos dan un servicio excelente en todos tipos de bombas en refinerías, plantas petroquímicas, almacenes, barcazas, etc. PRODUCTOS QUíMICOS Muchos líquidos áridos y básicos deben manejarse con toda clase de bombas. Comparados con el agua, estos líquidos son frecuentemente más difíciles de bombear debido a que corro,en o atacan varias partes de la bomba, reduciendo su vida a menos que se tomen precauciones especiales en la construcción de la unidad. Generalmente, hay ocho factores que afectan la elección de los materiales para bombas: temperatura del líquido, columna por paso, presión de descarga, factor de carga de la bomba, sólidos abrasivos en suspensión, resistencia a la corrosión del metal, acción electroquímica y consideraciones estructurales. Las Tablas 6-4 y 6-5 compendian la amplia experiencia de los fabricantes y usuarios de bombas con varios materiales y líquidos, según los designa el Instituto de Hidráulica. Los materiales que se encuentran en la lista se aplican a toda clase de bombas por lo que respecta a características de resistencia a la corrosión. P ero en algunas bombas, hay consideraciones de diseño que imponen requisitos físicos diferentes, que pueden eliminar algunos materiales de la lista como adecuados para un líquido determinado. La Tabla 6-5 es una cond ensa-
LÍQUIDO
189
MANEJADO
ción de una tabulación mucho más extensa de materiales para manejar varios líquidos, dados en las normas del Instituto de Hidráulica. Para líquidos que no se encuentran im esta lista, refiérase el lector a estas normas. Es natural que esta tabulación no pueda reconocer todas las variaciones de construcción posibles sino que debe concretarse principalmente con el problema general de corrosión en las bombas. Debe recordarse esto cuando se comparan los méritos de los distintos materiales que aparecen en las Tablas 6-4 y 6-5. Tabla 6-4.
Selecciones y Designacion es de Materiales según el Institu to de Hidráulica .
Designación correspondiente según las sociedades nacionales que No. de se indican selección~_ _ _ _ _ _-'-_ _ _--'r-_---; del mstituto ACI AISI ASTM 1 ,
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8 9
A296, CF8M
7
10
11
12 13 14 15
Fundición gris-seis grados
A48, grados 20, 25, 30, 35 , 40 Y 50 B143, lB Y 2A; B144, 3A ; B145 , 4A A2l6, A217. A296. A296. A296. A296,
2 4 5 6
WCB C5 CA15 CB30 CC50 CF8
Notas
10;:;0 501 CA15 CB30 CC50 CF8
446 304
CF8M
316
Cn-7MCu
410
Bronce de est.año-seis grados (incluye dos grados cubiertos en detalle en las Normas del Instituto de Hidráulica) . Acero al carbón Acero al cromo al 5% Ace ro al cromo al 13% Ace ro al cromo al 20% Acero al crom o al 28% Ace ro austenítico al molibdeno 18-8 Un", seri e de aceros aleados de alta aleación que se usan cuando las condiciones de corrosión son seve ras Una serie de aleaciones con base de nickel Hierro vaciado de alto silicio Hierro vaciado austenitico M etal monel Níquel
NOTA: ASTM. American Society for Testing Mate rials. ACI AlIoy Casting Institute. AISl , American Iron and Steel lnstitu te .
190
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Tabla b-5 . L í q u id o
Acido, acético Ácido, clorh ídrico . Acido , nítrico Ácido, sulfúricl) Alcohol A sfalto .. Ce rveza . B etabel, j ugo de Salmuera, CaCI Salmu era, CaCI Salmuera, NaCI Salmuera, NaCI Hypoclorito de calcio. Ca rbón , tetac1oru ro de Formaldehido Gasolina Goma Plomo Leche Melazas Mos taz a .Aceite, crudo Aceite , combustible Ace ite , kerosina Aceite, lub ricante Drenaje .... . ..... . Cenizas de sosa Sod io, hidróxido de . Azúcar Res ina Agua de alimentación
LfQUIDO
Materiales para Bombea r Va rios Líquidos.
Condición
Conce ntrado, frío Concentración comercial Concentrado, hirviente Más de 77% , fr ío
Calien te
Selección de material
8, 9, 10, 11, 12 n. 12 6, 7, 10, 12 C, 10, 11, 12 A, B
' C, 5 A ,8 A,8
pH mayor d e 8 pH menor d e 8
C A, 10, 11, 13, 14
Menor d e 3% , frío Mayor de 3%', frío
A , G, 13 A, 8, 9, 10, 11 , 13, 14 C , 10, 11 , 12
Anhidro
B, C A , 8, 9, lO, II
Caliente F undido
B, C B, C C, 3 8 A, B A, 8, 9, 10, 1.1 , 12
Caliente
3 B, C B, C B, C A, B ,
Caliente Solución acuosa Solución acuosa Caliente No evaporada p H mayor de 8.5 pH menor de 8.5 Evaporada, cualquier pH
e
8, 9, 10, 11 C, 5, 8, 9, 10, 11, 13, 14 A, 8, 9, 10, 11, 13 C,3
C B 4, 5, 8 , 14
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19~.
MANEJADO
Los materiales señalados son los que se usan comúnmente en las partes principales de la bomba tales como la carcasa, impulsor y cilindro. Siempre que es po~ible, los ma.teriales estirados, por ejemplo, flechas, deben ser de composición similar a los colados. Los aditamentos, tales como mangas, válvulas, anillos, etc., pueden estar hechos de materiales diferentes para llenar algún requisito mecánico, pero el material seleccionado debe ser adecuado para el elemento que se encuentre en contacto con dicho material. Debido al gran número de variables, es imposible señalar en forma definitiva el que un material sea más apropiado que otro contra el ataque corrosjvo de un líquido dado. Así pues, en la lista se encuentra más dé un material para un líquido dado, según lo muestra la Tabla 6-5, el orden de la lista no indica superioridades relativas. Los símbolos que se usan en la Tabla 6-5 son: A, en bombas hechas totalmente de bronce; B, bomba con aditamentos de bronce; e, bombas hechas totalmente de hierro. En la Tabla 6-4 se encuentran listados también otros materiales, incluyendo un gran número de tipos resistentes a la corrosión. Para ayudar al fabricante de bombas a elegir los materiales correctos para una aplicación dada, es aconsejable el usar la forma que aparece en las Normas del Instituto de Hidráulica cuando se suministran da tos para la orden. Esta forma es también útil para revisar los factores que son importantes para seleccionar los materiales que manejan un determinado líquido químico. La Tabla 6-6 da varias reglas generales útiles en la selección de bombas centrífugas para algunos líquidos diferentes con pH variables de O hasta 14. La Tabla 6-7 señala el pH de algunos líquidos que comúnmente se manejan por bombas. Consideraciones Especiales. En algunas aplicaciones -por ejemplo, proceso de alimentos- pueden usarse cristal, porcelana y algunos materiales sintéticos en la construcción de las bombas porque estos son más adecuados a los requisiTabla 6-6.
Materiales para Bomba Elegidas para Varios Líquidos
pH líquido 04 4-6 6-9
9-14
Tipo de bomba elegido fr ecuentem ente Acero inoxidable Toda d e bronce Accesorios normales Toda de hierro
192
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Tabla 6-7.
LÍQUIDO
Valores Típicos pH para Varios Líquidos
Acidos Ácido, acético N . . . . . . Ácido arsenioso (saturado) Ácido cítrico, O.IN .. Ácido fórmico, O.IN . Ácido c10rhíd rico ........ . , Ácido cianhídrico O.IN Ácido láctico O,IN , Ácido sulfúrico, N , Bases
Amoniaco. ' N . ,'.. " " " 11.6 Plasma san guíneo, humanoI 7.3-7.5 Carbonato de calcio 9.4 Cal (saturada) , 12.4 Hidróxido de potasio , N 14,0 Carbonato de sodio, O.lN , 11.6 Hidróxido d e sodio, N 14.0
Cerveza Sidra "" " " "" " Bebidas, suaves '. " .... Huevos, clara fresca Toronja . . , .. , , , , , . Uvas .. .. . .... " . ' Limones . . . , . . . . , . ' . , , .Jarabe d e maple .. . , .. , . Leche, vaca . , , . . , . ... Naranjas ' . . . .. , Camarones , " .,. " Tomates .. ., ,' . . . ' Nabos .. . " . . ' .. ,. Vinagre , , ,,, " Agua, potable ... , . " '" Vinos, de uva , .. , , ". "
193
SÓLIDOS EN SUSPENSIóN
Alimentos 2.4 5.0 2.2 2.3 0.1 5. 1 2.4 0.3
MANEJADO
4.0-5:0 , 2.9-3.3 2.0-4.0 7.6-8.0 3,0-3.3 3.5-4.5 2.2-2.4 , 6.5-7.0 6.3-6.6 3,0-4.0 6.8-7.0 4.0-4.4 5.2-5.6 2.4-3.4 6.5-8.0 2.8-3.8
tos de la bomba. Cuando una bomba debe manejar líquidos a temperaturas extremadamente bajas (por ejemplo, salmueras) la carcaza o cilindro, en su caso, se hacen de acero de aleación fundido o acero fundido debido a que el hierro vaciado ordinario resulta frágil a temperaturas bajas: Para manejar electrolitos fuertes, generalmente se recomienda una bomba hecha totalmente de hierro. Las aleaciones de acero inoxidable, que se pueden ya obtener a un costo relativamente bajo, están desplazando al acero común en muchas bombas. Un ejemplo típico es que las mangas de flecha de acero inoxidables que se utilizan en bombas para alimentación de calderas. Estas reemplazan a las anteriores hechas de bronce. Con líquidos inflamables, pueden usarse casquillos de hierro o acero recubiertos de bronce para evitar la ,posibilidad de chispas. Aun cuando resulta aparente, muchos ingenieros pasan por alto la ayuda que pueden dar los fabricantes en la elección de materiales. La amplia experiencia de la mayor parte de los fabricantes les permite resolver una gran variedad de problemas de materiales con poca o ninguna dificultad. Así que cualquier ingeniero que deba seleccionar y aplicar bombas hará bien en usar los servicios de uno o más fabricantes. Esto puede ahorrarle trabajo y tiempo al ingeniero y asegurar. además, resultados más satisfactorios.
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Los líquidos más difíciles de manejar satisfactoriamente en bombas de cualquier clase son quizás aquellos que contienen sólidos en suspensión. Estos líquidos pueden contener aguas negras, pulpa de papel, lodos, arena o alimentos de varios tipos. Sin embargo, las numerosas instalaciones de varias clases de bombas que trabajan satisfactoriamente para esos servicios muestran que una selección y aplicación cuidadosas habrán de dar la capacidad y columna deseadas, así como una larga vida de la bomba. A la fecha, con tal variedad de diseños obtenibles para bombas especiales, es relativamente fácil 'el elegir una unidad para una aplicación específica y saber que habrá de operar satisfactoriamente por largos períodos con un mínimo de problemas. Muchos de esos diseños especializados se discuten en capítulos posteriores, según las aplicaciones para varias industrias. Velocidad del Líquido. En cualquier instalación de bombas, la velocidad del líquido es importante desde el punto de vista económico, según se discute en el Capítulo 10. Una consideración adicional entra en las instalaciones donde una bomba está manejando un líquido Que contenga sólidos en suspensión. Esta es la velocidad de hundimiento o valor de desliz hidráulico necesario para evitar que los sólidos se depositen fuera del líquido y se acumulen en el fondo del tubo. Al seleccionar la velocidad para los tubos de succión y descarga de la bomba, deben cuidarse de que el flujo sea tal que los sólidos viajen en o cerca del centro del tubo. Este tipo de condición de flujo conserva la fricción en el tubo a un mínimo, protege los sólidos de desintegración en la pared del tubo y reduce el desgaste que causa la abrasión del tubo por los sólidos. La velocidad más económica es la más baja que produzca un gasto en el cual se cumplan estas tres condiciones. En general, las bombas rotatorias y reciprocan tes son adecuadas para manejar líquidos que no tengan o que casi no tengan cualidades abrasivas, mientras que las bombas centrífugas pueden manejar los tipos más abrasivos de suspensiones. Hay, sin embargo, excepciones: por ejemplo, bombas rotatorias de un solo tornillo con impulsores recubiertos de hule" pueden manejar suspensiones abrasivas excepcionalmente bien. Flujo del Fluido. Es difícil describir o visualizar la fluidez de una mezcla de agua y material fibroso. Pero la pulpa
194
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
de papel se asemeja a un cereal cocido -por ejemplo, atole o avena- y tiene características de flujo similares. Lo mismo es cierto de muchas otras mezclas industriales -alimentos, aguas negras, lodos, etc.-. Si se llena un recipiente con cereal cocido o pulpa de papel (Fig. 6-11) ese recipiente tendrá que inclinarse a un ángulo para que la mezcla pueda fluir de e
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LÍQUIDO
195
MANEJADO
Con una mezcla de 5.5 por ciento, el recipiente debe inclinarse hasta que su costado se encuentra a unos 30 grados abajo de la horizontal. La superficie de la mezcla muestra grandes grietas en forma de V al dejar el recipiente. Todo el contenido puede abandonar el recipiente en elos o tres coágulos de gran tamaño. Nótese cómo se separa la mezcla del fonde del recipiente (:B'ig. 6-11E). Cuando la mezcla es de 6 por ciento, el' recipiente debe inclinarse 45 grados abajo de la horizontal y toda la masa se desprende como un solo cuerpo (Fig. 6-llF). Exactitud. Si bien la Fig. 6-11 puede no ser exactamente correcta por 10 que respecta al ángulo de inclinación con relación a la consistencia o comportamiento de todos los lí\
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Fw . 6-11 . Características de flujo de líquidos viscosos que pueden estimarse según se muestra. (Cortesía de Goulds Pumps, Inc.)
él. Mientras más pesado o grueso sea el material mayor será el ángulo que deberá inclinarse el recipiente para que fluya la mezcla. Unos cuantos ejemplos muestran hasta dónde debe inclinarse el recipiente para distintas consistencias de mezclas. Entre 1 y 2.5 por ciento de consistencia (Fig. 6-11A) la mezcla fluye en ' un chorro continuo, semejante al de agua, cuando el recipiente se inclina a un ángulo de cerca de 45 grados. La superficie de la mezcla en el recipiente permanece prácticamente plana. Con 3 por ciento de consistencia (Fig. 6-11B) el recipiente debe inclinarse 30 grados. El flujo cambia de un chorro sólido a gotas pequeñas continuas. La superficie de la mezcla en el recipiente comienza a mostrar una forma convexa. Con una mezcla de 4 por ciento de consistencia (Fig. 6-lle) el ángulo de inclinación es de ¡5 grados. La mezcla aparece en gotas mayores y con menor continuidad. La superficie es más convexa. Con 5 por ciento (Fig. 6-11D) el lado del recipiente es horizontal. La mezcla gotea en coágulos bastante grandes. La superficie de la mezcla en el recipiente es bastante redondeada, y aparecen grietas en forma de V conforme la mezcla comienza a gotear del recipiente.
FIG. 6-12. Bomba para pulpa de papel con impulsor abierto de succión al extremo, Este diseño se usa también para pulpas de fruta. pastas, etc. (Cortesía de Goulds Pwnps, [n c.)
quidos gruesos, puede servir como una guía aproximada para encontrar la fluidez de muchas mezclas gruesas. Si se observa su flujo se puede comparar con el líquido grueso con el cual se tiene posiblemente la mayor cantidad de datos : pulpa de papel. Una comparación como esta puede ser de gran ayuda
196
LiQUIDO
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
para elegir el tipo apropiado de bomba o impulsor para una aplicación dada. Las Figs. 6-12 y 6-13 muestran bombas centrífugas típicas diseñadas para manejar p'llpa de papel, pulpa de fruta, masillas y otro~ líquidos gruesos similares. Notas. Cuando se bombean líquidos gruesos hechos de una mezcla de líquido y sólido, la consideración más importante es el de suministrar columna de succión adecuada así como tubería para que el material llegue a la entrada del impulsor libre y fácilmente. En este punto, los álabes de curva" tura especial de impulsor o el pistón o émbolo especiar pueden tomarla sin liberar el agua o atascarse. Cuando se ha asegurado el flujo de succión apropiado para la bomba, el resto del problema es simple. Casi cualquier bomba reciprocan te o centrífuga puede forzar la mezcla a la línea de descarga. La columna de descarga se calcula en la forma habitual, usando la resistencia que se ha encontrado para la consistencia que se maneja. Pérdidas por Fricción. Las curvas de las Figs. 6-14 a 6-21 dan las pérdidas por fricción para suspensiones de pulpa de papel para varias consistencias en tubo de acero Cédula 40. Están basadas en trabajos efectuados por la Universidad FIG. 6- J 3. La bomba para past.a cen- de Maine sobre datos de t.rífuga vertical tiene impulsor de Brecht y HeIler del Coletipo ahierto. (Cort esía de Goulds gio Técnico de Darmstadt Pumps, [nc.) Alemania. Estas gráfica~ pueden usa rse para todos los materiales usuales de tubos Pero la fricción en tubería de ashesto cemento puede ser me~ 110r que los valores mostrados.
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197
MANEJADO
Con algunos tipos de pulpa la pérdida de fricción obtenida de las gráficas debe corregirse por medio de un factor adecuado. Para pulpas de papel a la sosa, al sulfat<;>, al sulfito decolorado y pulpa de reclamación, multiplíquese por 0.90; para madera molida, por 1.40. Para consistencias de la pulpa inferiores a 1.5 por ciento, úsense valores de fricción para agua. Abajo de una consistencia de 3 por ciento la velocidad del flujo no debe exceder 3.05 m por seg. Para suspensiones de 3 por ciento y más altas, la velocidad máxima en el tubo debe limitarse a 2.44 m por seg. Ejemplo: Encuéntrense las pérdidas de fricción en 30.5 m de tubo Cédula 40 de 30.5 cm de diámetro con un flujo de pulpa al sulfato de 63.1 lps. La co nsistencia de la pulpa es de 4.5 por ciento. Soluci.ón: Éntrese a la gráfica para tubo Cédula 40 de 30.5 cm (Fig. 6-18), con un gasto de 63.1 Ips y proyéctese hacia arriba hasta que se inte rsecte la curva d e 4.5 por ciento de consistencia. A la izquie rda, léanse las pérdidas, como 12 m por 100 m de tubo. Corrigiendo para pulpa al sulfato, úsense los valores de los datos anteriores. pérdidas por 30.5 m 30.5 X (0.90) (12)/100 3.3 m . Nótese que estas gráficas se pueden usar tanto para la tubería de succión como para la de descarga.
=
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Selección de Bombá. Las bombas centrífugas, generalmente las más comúnmente usadas para manejar pulpa de papel y líquidos similares, desarrollan generalmente menor columna y entregan menor capacidad con líquidos gruesos que cuando manejan agua pura. Por esta razón es generalmente necesario corregir el comportamiento para agua en una bomba antes que se pueda determinar si es o no adecuada para manejar pulpa de papel. Las Figs. 6-22 y 6-23 muestran los factores de corrección para columna y capacidad en bombas centrífugas que manejan pulpa de papel. Aquí se tiene un ejemplo de su uso en aplicación de bombas. Ejemplo: ¿Qué capacidad de columna aproximada debe desarrollar una bomba para entregar 63.1 lps de pulpa kraft co n una sequedad al a ire de 5 por ciento a 22.9 de columna total? ¿Qué s ignifican estos valores? Solución: Éntrese a la Fig. 6-22. la g ráfica de co rrecció n para pulpa química , a 100 por cie nto de capacidad y proyéctese hac ia arriba hasta la curva de co nsistencia de 5 por ciento. A la izquierda léase el factor de corrección con respect.o a l agua como 0.87. Divídase la capacidad y columna para pulpa por el factor de corrección, o 63.1/ 0.87 = 72.6 lps, y 22.9/0.81 = 26.3 m de columna total.
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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LÍQ U IDO
201
MANE J ADO
BOMBAS - SU SELECCiÓN Y AFLICACIÓN
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P é rdid as d e fri cción pa ré! pulpa r! 0 pap pl P I1 tuho el e acero d e 508 mm . (/~o r l.esía de Gould.~ Pumps, l il e,)
202
BOMBAS - S U SELECCIÓN Y APLICACIÓ N LÍQUIDO
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MANEJADO
203
Estos valores significan que una bomba con características nominales de 72,6 lps de agua con una columna total de 26.3 m entregará por lo menos 63.1 lps de pulpa kraft al 5 por ciento, con una columna total de 22 .9 m. Los datos correspondientes al agua los usan los fabricantes para casi todas las bombas centrífugas debido a que es muy difícil probar bombas para la gran cantidad de otros líquidos que pueden manejarse en servicio real. El uso del fa ctor de corrección como se muestra aquí es más fácil y ahorra tiempo y dinero. Los factores de corrección en las Figs. 6-22 y 6-23 son apro'ximados para pulpa normalmente refinada de 400 a 600 seg SR de limpieza, con líneas de succión directa de suficiente tamaño. Para pulpas más rápidas o más limpias, así como las que contienen aire, pueden requerirse correcciones mayores. Las pulpas lentas y las que contienen rellenos y aditivos pueden requerir menor corrección debido a que la pulpa se mantiene más fácilmente en suspensión. Pero el agregado excesivo de los aditivos tales como alumbre y pueden ocasionar la formación de gases en las fibras de la pulpa, interrumpiendo el bombeo. Bomba que Habrá de Ins talarse. La Fig. 6-24 muestra las características de una bomba que puede ser adecuada para las condiciones dadas en el ejemplo anterior. Para usar esta curva, el diámetro exacto del impulsor requerido para las condiciones del agua debe antes, encontrarse si se desea un ahorro considerable de potencia cuando la unidad maneja pulpa. En seguida se indica cómo se hace: 1. Localícese el punto A para agua (Fig. 6-24) a 72.6 lps y 26.2 m de columna total. Para desarrollar esta columna y capacidad se usaría un impulsor con un diámetro de 38 cm debido a que el punto A prácticamente se encuentra sobre la curva para este diámetro. 2. La capacidad de esta bomba a lSu mejor punto de eficiencia (pme) de B (Fig, 6-24) es de 101 lps para un impulsor de un diámetro ligeramente menor del correspondiente a agua. Multiplíquese esta capacidad por el factor de corrección obtenido arriba para encontrar la capacidad para pulpa al pme, o 101 (0.87) = 88 lps. 3. En seguida, encuéntrese la relaci ón de la capacidad de pulpa según las característi cas deseadas (63 Ips ) y la capaci,dad para pulpa encontrada en el paso 2 (88 1ps ). O (63/88) ::"c
204
BOMBAS - SU S E LECCIÓN Y APLICAC IÓN
== 0.72 est o se puede toma r como equivalente a 72 po r ciento de eficien cia de la bo mba. 4. Cua ndo la relación obtenida e n el paso 3 no es lo basta n te p róxima a la expresión decimal de la mejor efi ciencia d e la bomba cu an do se ma n eja agua, en este caso 0.82, y la
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co nsisten cia de la pu lpa es mayor q ue 3.5 por ciento, réstese la consistencia en po r cien to de la pu lpa, de la relación para asegurar una aproxi mación más cerca na a la capacida d en agua en por ciento al p me: 0.72 -- 0.05 = 0.67, p a ra esta bom ba. S. E ncuéntrese el facto r de co rrección para 67 por ciento de capacidad ent ra ndo a la Fig. 6-22 con 67 por cien to y proyecta n do hacia arriba a una consistencia de 5 por cien to. A la izquierda léase el factor de corrección como 0.91. Di vídase la colum na y capacidad en pulpa por este facter de corrección para determi nar las caract.erísticas fi nales para agua, de la bomha. E sto da 63/0.91 ::::; 69 lps, y 22 .9/0.91 = 2S.1 m de co lum na total. Loca lícese este pu n to en la F ig. 6-24 . Se presenta para u n d iá metro de impulsor de 37 .5 cm , punto C. Para co m prohar la vali dez de este diá metro de im pu lsor, en cuén -
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205
MANE.TADO
t rese la capacidad de agua al pme. Este valor debe iguala r ap roximadamente la capacidad usada en el paso 2. La F ig. 6-24 m uestra u na capacidad de 104 lps. Esto se cem para fa vorablemente con el valor de 101 lps que se usó en el paso 2. Si las capacidades va ría n apreciablem en te repítanse los pasos 2, 3 , 4 Y 5 usan do otro valor para el paso 2.
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FIG. 6-25. Características de operación con agua y pulpa de la un idad d iscutida en el texto. (Corte sía de Gould" Pumps, l ne.)
6. P a ra trazar curvas columna-capacidad aproxim adas p a ra es ta bom ba cu a ndo ma n eja agu a y pulpa, hay que t.abula r la columna de agua, efi ciencia y pm e de la F ig. 6-24 a 40, 60, 80, 100 y 120 por cien to de la capacidad nomina l a l pm e para el diámetro del impulsor en con trad o en el paso 5 o sea 37.5 cm. 7. T abúlense los factores de co rreCClOn , usando las capacidades a n teriores en po r cien to y la Fig. 6-22. Usando éstas, calcúlense el gasto en lps de la pulpa así como la ce lum na total, igu al qu e a n tes. E l caba lla je de en trada habrá de permanecer aproximadamen te el mism o. Señálense gráficamen te los valores calculados ( Fig. 6-25). La eficien cia de la bom ba se
206
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
calcula de E = lps (columna, mj(76.2) (bhp) (densidad de la pulpa). Nótese que el caballaje para pulpa es prácticamente el mismo que para agua. LíQUIDO DE SELLO EN LA CAJA DE EMPAQUE Se requiere un flujo de 40 a 60 gotas por minuto para una caja de empaque normal para suministrar lubricación y disipar el calor general. Si la presión interna de la bomba que actúa contra el interior de la caja de empaque es negativa (elevación de succión), se necesita un líquido sellador externo. También cuando el líquido bombeado tiene sólidos en suspensión, es müy volátil o tiene pocas cualidades de lubricación. Si la presión interna de la bomba que actúa contra el interior de la caja de empaque es negativa (elevación de succión), el aire de la atmósfera se encontrará a una presión mayor. Se necesita entonces una barrera líquida para evitar la entrada del aire a la bomba a través de la caja de empaques causando pérdidas de cebado y posible daño a las partes rotatorias. El líquido sellador se conduce por tubos externamente a la caja de empaques y se distribuye entre las hileras de empaques a través de una caja de sello. Una parte del líquido se chupará en la bomba y el resto se escapará de la caja de empaques. En este caso el líquido sellador actúa como lubricante y como barrera contra la entrada del aire. Si el líquido bombeado está limpio y tiene cualidades lubricantes, pueden conectarse líneas de sello entre la caja de empaque y el área de presión de descarga de la carcasa de la bomba. Si el líquido bombeado tiene sólidos en suspensión, la caja de empaques debe sellarse con agua limpia de las líneas de suministro de agua de la planta o de algún otro líquido limpio que puedan obtenerse a presión. El uso de agua de la planta asegura un sello positivo para la caja de empaque durante el sebamiento. Si la presión interna de la bomba y que actúa contra el interior de la caja de empaques es positiva, ya sea de la columna de succión o la de descarga, el flujo natural del líquido que trata de escapar a la atmósfera sellará y lubricará el empaque, y las líneas de sello de la carcasa de la bomba no deberán conectarse. El agregar líquido bombeado a la presión de descarga no mejora el sellado. Aumentará grandemente la
LÍQUIDO
MANEJADO
207
presión de la caja de empaque, mantenimiento y frecuencia de cambio de empaques. Si el líquido de la bomba contiene sólidos en s\lspensión, debe reducirse al mínimo el escape de la caja de empaques. Los sólidos se incrustarán en el empaque y rayarán la chumacera de la flecha. Se recomienda en estos casos sellar con agua limpia de la planta de una fuente externa. La presión en las líneas de sello deben ser por lo menos de 0.7 kgjcm ' arriba de la presión que actúa sobre la caja de empaque, para asegurar un flujo de líquido a la bomba y evitar la entrada de sólidos.
CAPÍTULO
7
SISTEMAS DE TUBERíAS Por conveniencia, pueden clasificarse las tuberías de bomba en tres categorías principales: succión, descarga y líneas auxiliares. Ya que en muchas instalaciones la columna que ha de desarrollarse es principalmente una función de la resistencia de la tubería, es necesario extremo cuidado para elegir las dimensiones y disposición de los tubos. Las pérdidas de fricción se han estudiado ya en anteriores capítulos. Aquí, la discusión se limita a tamaño y disposición de las tuberías. El éxito o falla de un sistema de bombeo es frecuentemente una función directa de la propiedad con que se haya elegido la tubería.
TUBERíA DE SUCCIÓN Desde el punto de vista de importancia, la tubería de succión probablemente merece más atención que la de descarga debido a que pueden presentarse dificultades menos serias derivadas de las líneas de descarga de dimensiones no adecuadas, que las que puede producir la tubería de succión. Una cspn insuficiente, inestabilidad hidráulica, conformación de vórtices fuertes que conducen a vibración, ruidos, cavitación y desgaste excesivo de las chumaceras son sólo unas cuantas de las dificultades que causa una tubería de succión mal diseñada. Otras más pueden ser: capacidad reducida , golpe de ariete, sobrecalentamiento de la bomba y reducción en la vida de las partes. Entrada del Tubo de Succión. La Fig. 7-1 muestra tres formas comunes de admisiones usadas para bombas industriales. Un simple tubo (Fig. 7-1a) es adecuado solamente para instalaciones temporales porque las pérdidas de entrada son probablemente excesivas. Se prefiere (Fig. 7-1b Y 7-2)
210
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
SISTEMAS
DE
211
TUBERíAS de presión
una coladera con válvula de pie (pichancha integral) debido a que hay mEmOS peligro de que entren materias extrañas al
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Orilicio recto. (o)
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Cuerpo de inyector - - - "'__ Revestimiento del pozo (Ademe )· _= _ T a pa ue cámara perforada ~CopIe ue tubo normal _: _~ -: Tubo de en traua .---
FIG. 7-1. Entradas. a tuberías d e succión (a) Provisional. (b) Colad era con válvula de pie integral. (e) Entrada en forma de embudo o campana.
Burbujas de ..'ire ;,:. . en el agua
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Cámara .. .. Válvula de pie
tubo de succión. Por otra parte, el agua retenida en el tubo de succión por l? válvula de pie eliminará la necesidad de cebar la bomba después de que ha dejado de operar. Las campanas de succión (Fig. 7-1 e) pueden construirse con o sin válvulas de pie y son ¡Jtiles cuando deben mantenerse las pérdidas de succi.ón a un mínimo. Es una buena práctica el usar
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Bomba 'rubo de succión
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. .
pe.rno ~hule
Tubo de / p resión
de latón @ - B r i d a
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de asiento
d el
' - - -.......... ~
(o)
Válvula (b)
(e )
FIG. 7-2. (a) Combinación de de ~ armada. ( e) Coladera con
(d)
vá,lvula de pie y coladera. (b) Vá lvula dos válvulas de pie. (d) Coladera con una sola válvula.
(b)
Frc . 7- 3. (a) Se puede evitar la en trada de burbujas 'd e ai re. enct>rrando la válvula de pie. (b) La cám a ra de asentamiento elimina la arena del agua .
212
SISTEMAS
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
213
Modelo de entrada provisto de banderitas indicadores del flujo. (Cortesía de lngersoll-Rand Ca.).
Frecuentemente se encuentran diversas dific'\11tades cuando se 'usa un tubo de admisión vertical para una bomba. Con un nivel bajo en el líquido en la cámara de admisión, o con insuficiente inmersión del tubo de admisión, puede producirse un vórtice, produciéndose entrada de aire en el líquido. El
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. FIG.7-6.
FIG . 7-5.
TUBERíAS
mejor remedio es el usar una admisión acampanada y de las dimensiones necesarias para mantener la velocidad del líquido en menos de 0.9 m por seg. Cuando la línea de alimentación del líquido entra a la cámara de admisión cerca del tubo, puede evitarse la formación de burbujas de aire sumergiendo el extremo de salida del tubo' de alimentación. Para evitar remolinos en la entrada cuando el tubo de alimentación entra en un lado de la cámara cilíndrica, puede usarse una mampara en la salida del tubo de alimentación. La Fig_ 7-3 muestra di~gramas útiles en el diseño de tuberías de admisión para bombas de chorro.
una entrada de campana con una válvula de pie y una coladera siempre que sea posible para instalaciones permanentes en la mayor parte de las bombas centrífugas y reciprocan tes.
FIG. 7-4.
DE
Modelos de prueba antes y despu és de reducir el clara ent.re campanas. (tort esía de lngersall-Rand Ca.) .
Entrada propuesta para cuatro bombas verticales. (Cortesía de Ingersoll-Rand Co.).
Diseño de la Admisión. Se han obtenido muchos datos útiles, especialmente para bombas verticales, de las pruebas . con modelos de varios diseños de admisión. Los canales que guían el agua a las bombas verticales afectan considerablemente el comportamiento de la unidad y su efectividad. Aun cuando las admisiones para instalaciones de una sola bomba son relati vamente simples, los de varias bombas requieren bastante ingenio en su diseño, particularmente cunado la capacidad en las facilidades existentes se aumenta con la inserción de más bombas en un espacio limitado, La Fig. 7-4 muestra un modelo típico de admisión provisto de veletas indicadoras del fluio. En un modelo similar (Fig. 7-5) el efecto de
214
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
la reducción de la distancia entre campanas aparece en la foto inferior. Nótese, en la foto superior, cómo el flujo es, o bien a través del fondo de la campana de admisión o en forma
FIG . 7·7.
Formación de vórtices en las entradas de la Fig. 7·6. (Cor tesía d e lngersoll-Rand Co.)
de vórtice, según indican las posiciones de las veletas. El bajar las campanas produce un flujo uniforme radial en cada tubo de succión, según lo muestran las veletas en la fotografía inferior.
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FiG . 7-8.
La entrada d e la Fig. 7-6 modificada después d e las pruebas de modelos. ( Cort esía de In ge rsoll-Rand Co .) .
El flujo en el canal es el aspecto más. importante ~n estudios de estabilidad hidráulica. Las esqumas pronuncladas, . vueltas abruptas y disposiciones no simétricas oca~ionan dis-
SISTEMAS
DE
TUBERíAS
215
turbios en el flujo del canal. Con bombas verticales, las pérdidas hidráulicas rara vez necesitan considerarse debido a que las velocidades de admisión son bajas. El principal problema a resolver es el de evitar la formación de remolinos y vórtices que alteren el flujo. Esto puede hacerse cambiando el diseño del canal para eliminar los disturbios o bien aislándolos en áreas donde no hagan daño. Diseños Típicos. La Fig. 7-6 muestra una instalación propuesta para un edificio nuevo. Habrían de usarse cuatro bombas centrífugas verticales grandes, colocando dos en cada rincón de la entrada. Las pruebas de modelos mostraron in{y¡ediatamente que la gran cantidad de agua proveniente de las compuertas chocaba contra el muro frontal, creando una fuerte distorsión del flujo. La vuelta tan abrupta de 90 grados enfrente de las bombas agravaba esta condición. Las velocidades medias cerca de las bombas parecían bajas, pero la falta de guías permitía disturbios en las bombas y formaba vórtice. La Fig. 7-7 muestra los vórtices que se observaron con varias combinaciones de bombas y compuertas. Debido a los grandes claros entre campanas y la gran área detrás de ellas, los cuerpos giratorios de agua abajo de las bombas con vórtices A y e (Fig. 7-7) se movían siempre que la influencia de las compuertas que producían el disturbio, llegaba a ellos. La superficie del agua no indicaba las condiciones que se encontraban en el fondo. A mayores capacidades, los vórtices se hacían más pronunciados, mostrando que la trayectoria de flujo era inconveniente y necesitaba corrección. La Fig. 7-8 muestra cómo se cambió la disposición de entrada. La magnitud de los vórtices A y e se redujo sin cambiarlos de posición bajo las campanas. El vórtice B se eliminó completamente. El muro frontal evita que los disturbios lleguen a las bombas, mientras que los túneles con sus techos inclinados tienen la suficiente longitud para enderezar el flujo que llega a las bombas. La Fig. 7-9 muestra una vista en planta de una instalación de bombeo resistente en la cual existían vibraciones excesivas. Los chorros que se establecían en el flujo de entrada entre las bombas creaba varios vórtices en cada lado. La Fig. 7-10 muestra la corrección adoptada. Contiene un muro de represa de proporciones adecuadas entre las bombas y la en-
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
trada, 0.75 de un diámetro de campana del centro de las bombas. Las campanas de succión se bajaron hasta dar un claro Bomba B de 0.4 veces el diámetro de campana. FinalBomba A mente, se insertó otro muro entre la presa y el muro exterior, separando Fra. 7·9. Vista de planta de entrada las bombas en celdas SImétricas. de bomba que causa vibración excesiva. (Cort esía de 1ngersoll-Rand CO.) . Alternativas de Diseño. El agua puede aproximarse a la admisión de la bomba en forma axial, ya hacia arriba, ya horizontalmente o bien de arriba a abajo, distribuyéndola en forma uniforme alrededor del área entre la campana y el piso. Este último método requiere menor profundidad de excavación y es en general menos costoso. Más abajo se dan varios factores de diseño para este tipo. El diámetro de la campana de succión G (Fig. 7-11) se usa como referencia FIG. 7·10. La entrada ele la Fig. 7-9 de diseño y es genera¡l- después de corregirse según las pruebas de modelos. (Cort esía de lngersoll-Rand mente alrededor de dos Co .). veces el diámetro del ojo del impulsor. Una relación diferente modificaría los valores de diseño que se señalan más abajo. El claro entre las campanas y el piso para la entrada, es quizás la variable de diseño más importante. Un claro de 0/4 suministra la misma área de flujo que la sección transversal de la campana y es la profundidad mínima a la cual puede bajarse la campana y retener aún un flujo aceleran te. La mejor región para claro de campana, G/2 a G/3, deberá usarse ~ ···_· · · · · 2 5 .4
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SISTEMAS
DE
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TUBERÍAS
siempre que sea posible. La eficiencia de la bomba es mayor que con una entrada infinita. Cuando el flujo se aproxima a la entrada en una dirección, es conveniente un muro atrás de la bomba. Esto ayuda a evitar la formación de vórtices en el agua muerta atrás de la bomba. Es una buena práctica localizar este muro posterior a 3G /4 del centro de la bomb~ Para instalaciones de Fonna preferida para el rincón \ una sola bomba, el ancho . del canal no es muy importante si excede o iguaG la a 2G, y la bomba se encuentra en el centro del canal. Sin embargo, puesto que el espacio es generalmente costoso y un '/: canal muy grande tiende .' . I ..~Gj a inducir corrientes seFlujo unjo ~ .. . -i: G...t-- ~G cundarias, rara vez es fonne en '<1 '<1 este plano conveniente exceder un ancho de 2G. Siempre que se hace esto, debe tenerse precaución. La longitud del canal elegido debe producir una lzG distribución uniforme del M ox ~G agua inmedia tamen te /vtin, adelante de la bomba. Como referencia puede usar~e un plano a 3G / 4 enfrente del centro de la bomba. El flujo a través FIG . 7·11 . Dime nsion es qu e se pre fi e· de este plano debe ser re n pa r;) e ntrad a" de homhas ve r t.ica· normal a él y sin irregu- les. (C or tesía de l nge rso ll · R a n d Co.) . laridades. Un cana! con longitud de unos 2.5 a 3 veces el ancho corriente arriba dei plano, elimina generalmente los di sturbios del flujo. Esto hace que la longitud del canal sea alrededor de 7G. Con varias bombas en un solo lugar, la instalación de muchas unidades en un solo canal largo dehe evitarse siempre que sea posihle. Esto es debido al peligro de interferencia ~
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
mutua. Pero si debe usarse un canal largo, consérvese la velocidad del flujo al mismo valor que en una instalación de bomba individual. Debe procurarse eliminar la turbulencia
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Aumento , '\
Frc . 7·12.
Sugestiones para la tubería de entrada de bombas centrífugas horizontales.
del flujo cuando éste pasa de una bomba a la siguiente. El ancho del canal debe ser tal que W IG = 1 + (4G + 8GN) 13R, donde W = ancho del canal; G = diámetro de la campana de succión; H = profundidad del agua, y N = número de bombas en la dirección de la corriente. Las dimensiones de esta ecuación deben estar en unidades consistentes entre sí.
SISTEMAS
DE
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El espaciamiento entre las bombas debe ser lo bastante amplio para estabilizar y redistribuir el flujo conforme pasa cada una de las bombas. Probablemente es adecuada una distanda de 2.5 a 3 veces el ancho del canal entre planos de referencia. Dimensiones de la Tubería. Como regla general, el tubo de succión para cualquier clase de bomba nunca deberá ser de un diámetro menor que la conexión de entrada de la bomba. Si es posible, el tubo de succión debe ser dos o más tamaños mayores que la conexión de entrada de la bomba, esto asegura menos pérdidas de fricción en la columna de la línea de succión. La Fig. 7-12muestra algunos factores importantes que deben recordarse cuando se proyectan las líneas de succión de bombas centrífugas horizontales. No hay que hacer arreglos como los que se muestran en la Fig. 7-12a o e debido a que hay la posibilidad de que se formen bolsas de aire. Úsese de preferencia un reductor excéntrico (Fig. 7-12b). Inclínese el tubo de succión hacia arriba, hacia la bomba. Las bolsas de aire pueden formarse en los puntos más altos, haciendo que la bomba pierda cebamiento, aun cuando esté provista con una válvula de pie en la línea de succión. Evítense codos de radio reducido (Fig. 7-12e) en bombas de doble succión, debido a que entrará más líquido en un lado del impulsor que en el otro. Esto puede reducir la capacidad de la bomba y su eficiencia, y puede sobrecargar la chumacera de apoyo, produciendo una falla rápida: Úsese un reductor, como se muestra en la Fig. 7-121 para bombas de doble succión. La Fig. 7-12g muestra el arreglo preferido para bombas centrífugas horizontales. Para evitar la transmisión de vibradón a la carcasa de la bomba, tanto la tubería de succión como la de descarga deben estar soportadas independientemente en un punto cercano a las bridas de entrada y salida. Para bombas de vapor de acción directa, se emplean generalmente algunas reglas empíricas para determinar el tamaño de la tubería de succión y de descarga. Éstas son: d, = VIOg
(7 -1)
(7 -2) (7-3)
220
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
SISTEMAS
donde d" = al diámetro interno de la tubería de succión, cm; d ,l = al diámetro interno del tubo de descarga, cm; g = con capacidad de la bomba, litros por segundo; y v = con velocidad media del líquido, m/min. Las ecuaciones (7-1) y (7-2) se basan en una velocidad del líquido en la línea de succión que no exceda a 73 m/min, y una velocidad en la línea de descarga de 91 m/min.
DE
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TUBERÍAS
hacia abajo, según se muestra, corrige perfectamente la falla. La Fig. 7 -13b muestra el modo correcto de colocar una línea de succión larga con relación al eje de la bomba .. Velocidad del Líquido. La Fig. 7-14 contiene datos sobre las velocidades recomendables para líquidos en ¡RS líneas
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Bolsa
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1l.\ooE~H-- Boca de campana
FIG. 7-13. (a) El columpio invertido en la línea de succión causaba la formación de una bolsa de aire. (b) La línea de succión debe estar inclinada hacia abajo al alejarse de la bomba.
La importancia del tamaño de la tubería de succión se encuentra señalada en la Fig. 7-13a, que muestra una bomba alimentada por un tanque elevado y provista de una vuelta hacia arriba en la succión_ Aun con el tanque de presión, la bomba no podría desarrollar su flujo normal debido a que se forma una bolsa de aire en la vuelta. El cambio de la vuelta
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
7 ,5
3.0 Velocidad Media
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FIG, 7-14. Velocidades recomendadas de líquid os para las líneas de toma y descarga de una homba, (Cortesía de Po w er).
que se usan en varios tipos de plantas de procesos industriales. Está basada sobre una extensa experiencia, puede usarse sobre todas clases de bombas en cualquier planta normal. Nótese que, una vez que el líquido se encuentra bajo presión en el lado de descarga de la bomba, pueden usarse velocidades más altas sin peligro de dificultades. La Fig. 7-1 5a muestra el tamaño recomendado para la tubería de succión en bombas rotatorias que manejan líquidos viscosos. Los tamaii.os dados se basan en instalaciones donde no existe elevación estática de succión y la línea es de configuración relativamente simple,
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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TUBERÍAS
Cuando existe una elevación estática, o bien la línea viene de un gran número de vueltas y accesorios, debe usarse un tubo de succión de tamaño mayor. La Fig, 7-15b muestra el efecto de la altura y la temperatura sobre la elevación de UÍla bombac.de acción directa duplex con diseño de placa de válvulas de 15 por 10 por 15 cm . Bombas Verticales. La Fig. 7-16 muestra algunas aplicaciones de bombas centrífugas verticales para varios servicios industriales. Como puede verse, el cuerpo de la bomba se extiende dentro del líquido que maneja y no hay necesidad de arreglo especial para la succión. La bomba vertical está extendiendo sus aplicaciones para servicios similares a éste, porque tiene varias ventajas notables, incluyendo un buen comporta-
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F IG. 7·15 . (a) Dimension es de línea de succión recom e ndadas para bomba rotatoria. (b) Efecto de la altura y la temperatura sobre la elevación de un a bomba de acción directa. (Cortesía del Hidraulic lnstitut e J.
Pozos caliente:)
Bombeo de condensado
Aplicaciones típicas para bombas centrífu gas verticales. (Cortesía de J ohnston Pump Co.).
miento y construcción mecánica simple, El tipo exacto que se use dependerá de los requisitos de la aplicación, pero los tipos más usados al presente son los de difusor de varios pasos y de flujo mixto. Gran parte del éxito que tienen actualmente estas unidades es el resultado de su comportamiento satisfactorio en servicios de pozos profundos. Las aplicaciones para aguas de poca profundidad se discuten en un capítulo posterior de este libro. Entradas en Ríos. Estas (Figs. 7-17 y 7-18) pueden
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usar bombas centrífugas ya sean verticales u horizontales. Las bombas reciprocantes rara vez se usan para este servicio, debido a que sus características de flujo no son las más deseables. Las capacidades de las bombas rotatorias usuales son por lo general demasiado bajas cuando se necesitan grandes cantidades de agua para enfriados u otros servicios industriales. Según lo muestran las Figs. 7-17 y 7-18 una entrada típica de río consiste de un confinamiento para las bombas y sus motores, una rejilla de entrada para proteger las bombas contra la basura, un dmal o conducto de entrada y una guía de descarga. Las prácticas mejores localizan la entrada en el interior de las curvas del río, donde hay menos basura. La entrada debe estar, siempre que sea posible, río arriba de las áreas donde se descargan los desperdicios de las plantas. Los tubos de entrada deben extenderse con suficiente profundidad de manera que siempre se encuentren bajo el agua. ' Esto requiere la determinación del nivel del agua durante sequías extremas, así como durante condiciones de crecientes.
La casa de bombas debe encontrarse tan cerca de la planta como sea posible, y ser acCesible en camión durante los estados normales del río, y accesible también con una línea eléctrica. Casi todas las bombas que entregan agua de los ríos son movidas por motor. Para los cálculos de diseüo, se necesita conocer los contornos del lecho del río, así como un estudio cuidadoso del terreno para la cimentación. Todos los lugares tienen sus propios problemas, tales como el evitar líneas largas para protección contra incendio en la planta, y el aprovechar las diferentes presiones de agua en la planta. Por _
Corriente del río
Muros de dep ósito en la base del e dificio ./
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Sección de la casa de bomba
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Casa d e bomba s para río d el t.ipo moj a do . usa nd o bombas cent.rífu gas ve rtical es. ( Co rt esía. de P ower) .
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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227
ejemplo, para tener suministro de agua de emergencia en una planta, se bombea agua del río a un tanque de reserva en la localización de la fábrica. Las bombas en el tanque distribuyen el agua a varias presiones diferentes, necesarias en varias áreas de la planta. La bomba contra incendios de la planta también tiene su succión en el tanque y tiene varias horas de alimentación aseguradas. Las Figs. 7-19 Y 7-20 muestran dos vistas de una toma extremadamente grande para río en las
FIG. 7.20.
Vista aérea de una casa de bombas parcialmente completa de la Fig. 7-19. (Cortesía de Hydrotechnic Corp.).
FIG. 7.21.
Rejillas para basura en las compuertas de entrada. (Cor· tesía de Hydrotechnic Corp.).
FIG . 7·19. Casa de bombas para servir una planta siderúrgica grande . con depósitos adyacentes. (Cortesía de Hydrotechnic Corp.) .
que se usa un sistema similar de almacenamiento. El tipo más simple de casa de bombas consiste de una construcción simple de dos aguas para una pequeña unidad
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individual. F}sta, sin erbbargo, rara vez encuentra uso, excepto para servicio temporal o en plantas muy pequeñas. Hay dos tipos generales de casas de bombas grandes que resultan económicas y son de construcción de cámara hueca a lo largo del torrente del río. En una casa mojada las bombas están sumergidas en el agua del río mientras que en el tipo seco están alojadas en una cámcrra profunda seca, arriba del nivel' del !:\gua. Generalmente estos dos tipos son satisfactorios, a menos qt;€ haya buenas razones para trasladar la casa de bombas a terreno seco, alimentándola por medio de un conducto o canal abierto desde el río.
FIG. 7-23. El colector de peces en e l agua a rriba d e la rejilla, desa loja a los peces del a gua de en tra da. (Cortesía de Power) ,
FIG. 7-2:¿. Las rejillas viajeras se colocan atrás d e las rejas d e basura en es ta casa d e bombeo d e río. (Cort esía de H ydrotechn ic Corp .) ,
Rejillas. La mayor parte de los ríos y lagos requieren el uso de, por lo menos, rejas de basura y rejillas movibles para proteger las bombas, tubería, válvulas y accesorios, de los cuerpos que tiene el agua. Las rejillas de basura (Fig. 7-21) permiten la retención de palos, troncos, tallos de maíz, hielo, etc., para proteger a las rejillas de tráfico (Figs. 7-22 y 7-23). Las rejillas retienen hojas, ramas, palos, etc., y se instalan verticalmente, de preferencia, una por bomba. En los ríos de
FIG , 7-24. Los peces en la corriente d e prueba nad a n co ntra la co rri en te pa ra evita r el se r empujad os con tra la reja, izqui e rd a, (Cor lesía. de Power ).
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DE
TUBERÍAS
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
230
FIG. 7-27.
FIG. 7-25.
El impul so r de una bomba de peces, es del tipo carente de paletas.
Entrada de agua de circulación , utilizando el colector mostrado en las Figs. 7-23 y 7-26. (Cortesía de Power) .
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FIG . 7-26. El agua detrás de la cortina se mueve m ás despacio. Los peces se refugian allí , de donde se desalojan por medio de la bomba de peces. Ver también Fig. 7-23.· (Cortesía de Power).
-----------------------------------
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
los Estados del Atlántico, se usa malla de alambre de 1 cm con resultados satisfactorios como rejilla. En la práctica se encuentran muchas formas de rejillas que se usan en diferentes aplicaciones. Cuando se requiere, pueden instalarse coladores además de las rejillas de flujo. El objeto de los coladores es eliminar las partículas más pequeñas que pasan a través de las rejil~as de basura de las de flujo. Las rejillas de flujo normales tIenen una velocidad de flujo a través de 30 a 75 cm por seg con una pérdida de columna de alrededor de 60 cm de agua. La rejilla viaja a velocidades que alcanzan a veces 3 m por mino Generalmente se usan chorros de agua a unos 5 kg/cm 2 para limpiar la basura de las rejillas. Problemas de Peces. En ciertas estaciones del año, puede presentarse el problema de los peces que se aglomeran en las entradas de los ríos, en donde atascan las rejillas, bombas y el resto del equipo. Según lo muestra la Fig. 7-24, los peces nadan río arriba para evitar el ser arrastrados a la entra·, da. del río. Los peces crearon un problema tal en la entrada (FIg. 7-25), q~e se instaló un colector (Figs. 7-23 y 7-26). Los peces se refuglan detrás del muro de la cortina (Fig. 7-26), de donde se quitan por medio de una bomba del tipo de impu~sor sin álabes (Fig. 7-27) Y se descargan en la corriente. Mas. del 9~ por ciento de los peces que se regresan al río sobrevlven S111 efectos indeseables. Este sistema puede manejar peces hasta de 35 cm de largo. Se estima que los colectores de este siste:na recuperan alrededor de 560 OOO ,salmones jóvenes, ademas de muchas otras variedades tanto jóvenes como adultas. La Fi.g. 7-28 muestra otro método para mantener a los peces alejados de las rejillas de flujo. Instalada en el canal de entrada, :sta pared eléctrica produce choques a los peces que se aprOXIman o nadan a su través. Aun cuando es efectiva , para de~~ner el flujo de peces a la entrada, este tipo de muro causa dlÍlcultades debido a que la basura se acumula en los electrodos suspendidos. Áreas de Mareas. Las casas de bombas pueden o no us~rs~ en ár~as de mareas, dependiendo de las condiciones hidrauhcas eXlstentes. P~ra entradas de frentes marítimos son populares los conductos cerrados y los canales, debido a' que pueden extenderse lo bastante lejos para eliminar los efecto de la subida y bajada de la marea. En el caso de bahías. a ve~
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233
ces resulta económica una entrada de sifón (Fig. 7-29). El sifón hace que el agua entre en una "antebahía" de succión de las bombas. Las bombas de vacío se usan para limpiar los sifones para su cebado. Cámaras de Vacío. Algunas bombas reciprocantes de acción directa del tipo de potencia vienen provistas de una cámara de vacío o impulso en la línea de succión (Fig. 7-30) para asegurar que el cilindro de la bomba esté completamente lleno de líquido a cada inversión del pistón. La cámara suministra también un colchón de aire para la columna del líquido en el tubo de succión, cuando el movimiento del líquido se detiene repentinamente, debido a la detención momentánea del pistón al final de cada carrera. Las cámaras de impulso de succión se requieren cO,n más frecuencia que las cámaras de descarga. Bombas Marinas. Uno de los problemas especiales que se encuentran en la succión de las bombas marinas está relacionado con el efecto de cabeceo y la inclinación de la embarcación sobre el nivel líquido en el tanque, depósito o compartimiento. Cuando hay alguna posibilidad de que la entrada de succión se vea desprovista de líquido debido a algún movimiento de la embarcación, deben proveerse los medios de asegurarse de que el líquido habrá de llegar a la bomba. Esto puede hacerse por medio de conexiones cruzadas de un tanque a otro, uso de miembros estructurales de tal manera que el líquido fluya de un lado de la embarcación al otro , etc. Lq.s bombas marinas de distintos tipos y sus tuberías se discuten en un capítulo posterior. Cebado de las Bombas. Las bombas de desplazamiento positivo -reciprocantes y rotatorias- so n autocebantes para elevaciones de succión total de alrededor de 8.30 m cuando están en buenas condiciones. Pero cuando se tienen líneas de succión largas, elevaciones altas u otras condiciones anormales, deben cebarse. Debido a que las bombas centrífugas no son autocebantes, se requieren medios para cebarlas en la elevación de succión. Pueden usarse ya sea hombas autocebantes especiales o equipo de cebamiento auxiliar. Las Figs. 7-31 a 7-36 muestran algunas bombas autocebantes modernas. Aun cuando los diseños varían de un fabricante a otro , es co mún un tanque de reserva del líquido de algún tipo en la descarga de la homba.
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La entrada de un depósito para refinería en Holanda tiene sifones para llevar el agua a la antecámara de la casa de bombas. (Cortesía de Power')
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
DE
T U BERÍAS
237
Este tanque contiene el líquido de cebamiento y sirve como separador de aire. Otros diseños tienen un recipiente de líquido tanto en el lado de descarga como en el de succión de la bomba; el líquido circula de la descarga a la succión du rante el cebamiento. Las válvulas automáticas o la acción hidráulica detienen la circulación una vez que la bomba se ha cebado. Algunas bombas circulan líquido continuamente. Cámara de vado
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Cáma ra de aire
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Cá ma ra de a ire
Bomha de T ubo de succió n
FIG. 7-31. El mé todo d e cebado de un difuso r qu e se u sa en esta bom ba. n o reg resa el líquido al lado de succión de la u nidad . (Co l·tesía de M arlow P um ps D iuision , B ell (¡li d Gossett Co.)
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Cám ara de vac fo _ Cám a ra de nire .'
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FIG . 7-30. (a) Cámara d e vacío o d e a ri ete a la ini ciación de la carrera d e su cción . (b) Cámara a l final de la carre ra de ~ucción. ( e ) Ot.ra forma d e cám a ra de vacío.
El equipo auxiliar para el cebamiento de la bomba incluye eyectores, bombas de vacíos, etc., usado en uniones como las mostradas en la Fig. 7-37. Con una succión sumergida a.
jo'¡C. 7-32. La doble voluta en esta bomba recircula la m ezcla líquidov,' po r d ura nte el cebado y se para el vapor del líquido. ( Cor tes ía de 1nge rso ll- Ra.nd Ca.)
238
BOMBAS - SU S.ELECCIÓN y APLICACIÓN
( u)
SISTEMAS
DE
TUBERÍAS
239
( b)
F rc . 7-33. Separador de aire con dos puertos de descarga (a), suministro de la acción de cebado en esta bomba (b). (Cortesía de Lawrellce Pumps, Ine.)
FIG. 7-35 . El líquido fluye a la voluta inferior, saliendo de allí a la superior durante el cebado de esta bomba. (Cortesía de Goulds Pumps, lne . )
Frc. 7·34. La cámara de cehado rodea a la SUCClOn directa , n o se utilizan válvulas. (Cortesía de GOf'man-Rupp Co.)
1<'IG. ,-36. Las ranuras en las paletas del impulsor, permiten la contención del aire por el líquido en esta bomba . (Cortesía de Nagle Pumps, Ine .)
240
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
de compuerta de succlOn permite que el líquido de entrada empuje el aire fuera de la carcasa. Un paso lateral sobre la válvula de cheque de descarga b permite el uso del líquido en
SISTEMAS
DE
241
TUBERÍAS
ño del tubo, velocidad del líquido, longitud de la tubería, número y tipo de los accesorios, y naturaleza genera.1 del diseño de la tubería -si es consistentemente recto o contiene un gran Densidad del fluiel o,
Flujo por peso , ton
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7-37. Ocho métodos de cebado que pueden usarse ' con muchos tipos de bomhas.
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TUBERÍAS DE DESCARGA Desde el punto de vista de la bomba, los factores más importantes en el diseño de tuberías de descarga son el tama-
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la línea de descarga para cebar la bomba. La válvula de pie e detiene el líquido en la línea de succión y puede aumentarse por una fuente de líquido auxiliar. La bomba separada d extrae el aire de la carcasa de la bomba principal para dar una acción ceban te. O puede usarse un eyector e para dar el mismo servicio. Un tanque de cebamiento f contiene un suministro de líquido lo bastante grande para establecer el flujo a través de la bomba al arrancar. Las bombas de vacío g y h se controlan manual y automáticamente para cebar la bomba principal.
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7-38. Gráfica para determinar los diámetros económicos de tubería. (Perry, "Ch emieal Eng ineers' H andbooh", 3d ed., M eGrG-w-Hill Booh Company, [ne., N ew Y or/z, 1950.)
FIG .
número de cambios de dirección, vueltas y conexiones laterales. T ambién si es un período co nsiderable de tiempo, es importante saber si el líquido manejado habrá de depositarse en
SISTEMAS
DE
TUBERÍAS
243
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
242
las paredes del tubo, reduciendo su diámetro interno, porque si esto dcurre, la resistencia friccional del tubo aumentará. Tamaño del Tubo, Con muy pocas excepciones, el objetivo al diseñar un sistema de tubería es asegurarse que se 'tiene el gasto deseado con el mínimo costo total. El costo inicial de tubería y accesorios es directamente proporcional al diámetro del tubo. Así, igualmente lo son despreciación y mantenimien-
Velocidad en metros por segundo 0,2
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por segundo Velocidad en pies Gráfica para determinar la velocidad del líquido en un tubo. (Cortesía de Worthington Corp.)
too El costo de la caída de presión (por ejemplo, el costo de bombeo) es, sin embargo, inversamente proporcional al diámetro. De manera que debe buscarse un balance económico, por análisis apropiado, del diámetro que dará la suma para los costos iniciales, de operación y de bombeo. La Fig. 7-38 resulta útil para determinar el diámetro más económico para un tubo en un sistema de bombeo cuando el flujo y la densidad del líq·.üdo se conocen y existe flujo turbulento. Cuando se usa esta gráfica es más económico seleccionar el tubo normal inmediato superior al diámetro determinado, debido a que los tamaños normales son más baratos y más fáciles de obtener que los tamaños especiales. Pero vale
244
BOMBAS -- SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
la pena el notar que en algunos casos las condiciones de bombeo, tamaño de tubería y otros factores económicos se combinan para hacer recomendable el uso de un diámetro especial. Esto es más común en instalaciones en donde el tubo de descarga es largo -varios kilómet ros-- y la cantidad de líquido que se maneja es bastante grande. La velocidad permisible del líquido se puede obtener de la figura 7-14. Una vez que se conoce el tamaño real del tubo , la velocidad en su interior se puede encontrar en la figura 7-39. En general, la velocidad real del líquido en el tubo no deberá exceder los valores dados en la figura 7-14. Ver Capítulo 10 para una l discusión comprensiva de la economía de varios tipos de bombas. Longitud de la Tubería Para reducir la columna de fricción sobre la descarga de la bomba, la línea debe ir desde la bomba al equipo que sirve en la ruta más directa posible. Debe hacerse todo esfuerzo para mantener el número de válvulas, accesorios y cambios de dirección al mínimo ~ecesario para las instalaciones. Las vueltas o dobleces cuando se usen, deberán de ser del tipo de radio grande, para mantener las pérdidas de fricción al mínimo. Cuando la capacidad de la bomba se regula por una válvula de estrangu'Iamiento, la resistencia en la posición· de máximo estrangulamiento debe intervenir en los cálculos de columna. Hay algunas instalaciones (Fig. 7-40) en las que la tubería de descarga se puede disponer para una distancia mínima con doblec.es fáciles y sin accesorios, pero éstas son raras. En otras instalaciones (Fig. 7-41) se necesita solamente un número mínimo de válvulas en una longitud corta. Para asegurar la columna de operación mínima, las bombas dispuestas como en la figura 7-40, deben tener un sistema de tubería, de manera que la salida del tubo de descarga está sumergida en todos los niveles del líquido. Sin embargo, la inversión del punto más alto del sifón debe encontrarse arriba del nivel de agua alta en el lado de descarga para romper el sifón y evitar el flujo de agua en sentido contrario cuando la bomba para. Ruido, Vibración. Los fabricantes de bombas y motores en el presente están atacando los problemas de ruido y vibración con mayor intensidaci que antes. H ay casos en práctica reciente en donde de dos bombas de alimentación de calderas iguales para una aplicación de casa de fuerza , la unidad ele-
SISTEMAS
DE
TUBERÍAS
245
gida ha sido la que tlene el menor nivel de ruido. Esto puede parecer extraño, en vista del alto nivel de ruido en una central habitual, pero hay una tendencia marca~a actualmente a reducir el ruido en todo tipo de plantas.
FIG . 7-41. Bomba vertical con línea de descarga corta y número mínimo de válvulas. (Corte sía de W orhtington Corp.) .
Se usan muchos métodos diferentes para reducir el ruido y la vibración en la tubería y en la bomba misma. Son útiles los conectores flexibles (Fig. 7-4a y b) hechos de hule o metal, para aislar el ruido y la vibración que se originan en la bomba o tubería . La Fig. 7-43 muestra otros tipos de medios usados para acolchonar el choque de la carrera de descarga de la bomba. Las cámaras de colchón en la descarga (Fig. 7-43a) se construyen frecuentemente como parte de la bomba. Los aliviadores de presión (Fig. 7-43b y e) tienen su aplicación en bombas de potencia de alta presión para absor-
246
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
ber el choque de la detención súbita del líquido. Éstos consisten usualmente de un émbolo con un resorte cargado y que opera en un estopero. El líquido no escapa del sistema de la tubería durante los impulsos de presión. Algunos diseños vi e-
SISTEMAS
DE
TUBERÍAlJ
247
nen también provistos con una cámara de aire. En algunos sistemas grandes de suministro de agua, los tanques de impulso colocados ya sea en la tubería de suc~ión o de descarga, , o ambos, resultan satisfactorios para eliminar el ruido y el ,. daño causado por el golpe de ariete. La figura 7-44 muestra
Cámara de airo 'TUbo de
Vá lvula d e
(a) (a)
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FIG. 7-43. (a) Cámara de aire o de ariete en la descarga, (b) Aliviador de presión . (Cortesía de Aldrieh Pump Ca.) (e) Aliviador de presión de resortes múltiples. (Cortesía de The Deming Ca.)
(b ¡'
FIG. 7-42. (a) Las secciones d e hule en las líneas de succión y descarga absorben el ruido y vibración . (Cortesía de Finn and Ca.) (b) La junta de expansión de hule en la línea de descarga de la bomba.
algunos índices de tuberías útiles para reducir el ruido en bombas rotatorias y de otros tipos. La reducción de la velocidad (Fig. 7-45) disminuirá el nivel del ruido de una bomba rotatoria. Las tres líneas, X, Y, y Z representan los niveles de ruido de tres bombas diferentes. La bomba X cuando opera a su velocidad normal es muy ruidosa, punto A. El bajar su velocidad 75 por ciento de lo normal hace que el ruido se encuentre en la zona considerada como satisfactoria para la mayor parte de las instalaciones punto B. A 50 por ciento de su velocidad, punto e, la bomba se acerca a la zona de operación silenciosa. La bomba Z, aún a 100 por ciento de velocidad, opera en la zona normalmente satisfactoria, punto D, y a 75 por ciento
SISTEMAS
248
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
DE
T UBE RÍAS
249
de velocidad está en la zona silenciosa punto E. El operar una bomba rotatoria a velocidad reducida disminuye su capacidad proporcionalmente. Por ejemplo, si una bomba entrega 10 lps a velocidad normal, su capacidad se reduce a· 7.5 lps a 75 por ciento de velocidad y a 5 lps a 50 por ciento de velocidad.
Descarga
Burbujas de aire
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(e)
Material resiliente
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FIG . 7-44. (a) El líquido de entrada contiene aire . (b) La fuent.e sumergida reduce el número de burbujas de aire. (e) Entrada mala. (d) Las mamparas evitan las burbujas de aire que lleguen a la bomba. (e) Los vórtices atrapan aire . (1) El montaje sobre hule aIsla el ruido. FIG. 7-46.
75 Velocidad de la bomba en %
FIG. 7-45. Nivel de ruido en relación con la velocidad de la bomba.
Los conectores de hule sintético A y B aislan el ruido de la bomba. (Cort esía de Worthin.gton. Corp.)
Esto debe recordarse cuando se elige una bomba: debe entregar el gasto requerido a la velocidad de operación adecuada. La figura 7-46 muestra una bomba rotatorIa provista de conectores de hule sintético A y B para evitar la transmisión de ruido de la bomba a la tubería de conexión. Disposición de la Tubería. El arreglo particular que se use para una aplicación determinada depende de tantos factores que es difícil dar instrucciones aplicables en todos los
250
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
SISTEMAS
251
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Disposición de I.ubería para las tres bombas d e la Fig. 7-48.
FIG. 7-47. Cuatro bombas de agua de enfriamiento con su tubería de con exión. (Cortesía de Fairbanks, Morse and Co.)
casos. Pero pueden encontrarse muy buenas prácticas estudiando instalaciones típicas, en fotografías y planos. En este capítulo se dan algunas. Las cuatro bombas de enfriamiento en la figura 7-47 están montadas en una base escalonada, permitiendo un fácil acceso para inspección y mantenimiento. Cada par de bombas
FIG. 7-50. Disposición típica de una bomba d e cenizas de sumidero con la bomba en un pozo seco. (Cortesía de Th e AllenSherman-Haff Ca.)
FIG. 7·48. Tres bombas del tipo re genera tivo para servicio de alimentación de calderas. (Cortesía de Fred H . Schaub Engrg. Co .)
toma SUCClOn de una cámara común y descarga en otra. Las válvulas de compuerta en el cilindro vertical se usan tanto en línea de succión como en la de descarga, están dispuestas para facilidad de operación del pasillo enfrente de las bom-
SISTEMAS
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
252
baso Los aditamentop que se usan entre la salida de la bomba y la cámara de descarga incluyen una unión, un expansor y Cámaras de e,puma)l
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.
DE
TUBERÍAS
253
Las tres bombas para calderas del tipo regenerativo de la figura 7-48 alimentan dos calderas (Fig. 7-49) . La tubería está dispuesta de manera que cualesquiera de las dos bombas puedan alimentar la carga normal de las calder'as. La tercera bomba es de emergencia y puede operar con una o ambas de las otras. Las válvulas de los motores y controles magnéticos dan operación completamente automática para las tres bombas. Las desviaciones de las válvulas de control permiten el
----Almacenamiento de liquido
Hidrante d e solución de espuma
! Alimentación de agua
FIG. 7· 51. Conexión de bombas para un sistema de protección contra incendio del tipo de espuma. (Cortesía de Walter Kidde and Co.)
una válvula de compuerta. Esta instalación muestra gran cuidado en su diseño; nótese la tubería de drenaje para el escape conectada en la parte inferior de cada bomba . .----_.§I>
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Bombas d e a limentación de seis pasos , 46.4 Ips. 55.2 en una refine ría. (Cortesía de lng ersoll·Rand Ca.)
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CIC
uso de las bombas durante inspección o mantenimiento de los controles. En el caso de un sumidero de cenizas (.Fig. 7-50) el mon· taje de la bomba en pozo seco permite el uso de una línea de succión directa, con un solo doblez. El tubo de descarga se eleva verticalmente a un nivel adecuado, de donde puede tomarse una carrera horizontal para llegar al punto de descarga. Los sistemas mecánicos de espuma para protección contra fuego (Fig.7-51) pueden alimentarse con el sistema normal de suministro de agua de la planta , pera en instalaciones grandes, donde la presión de la tubería principa} no es adecua· da , puede usarse una bomba, como se muestra. Cuando la disposición de la tubería es como en la figura 7-51, la des·
SISTEMAS
254
Fre. 7-54. Grupo d e bombeo de aceite combustible, provisto d e bombas de 0.3 lps, 10.5 kg/cm". y calentadores. (Cortesía de Coen Ca.)
FIC .
DE
TUBERÍAS
255
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
7-55. Bombas de en granes pa ra suministro, de un quemador de aceite combustible. (Cortesía de Shutte and Ko erting Co.)
Cllrga de la bomba está provista con una conexión de purga. El agua que pasa a través del tubo de purga crea un vacío, que chupa la espuma a la succión de la bomba. Una parte de esta espuma se descarga a la tubería de distribución y a los tanques, hidrantes y demás equipo alimentado por el sistema. La tubería de espuma puede estar arriba o abajo del piso. Puesto que las longitudes de tuberías de este tipo son generalmente largas, la tubería debe tener el menor número posible de dobleces y codos y debe tener un tamaño liberal. El ciclo mix-temp o de reentrado, desarrollado por la Worthington Corporation en 1939 para plantas de fuerza de vapor ~n el rango de 60 kg/cm ~, presenta requisitos interesantes en tuberías. Como lo muestra la figura 7-52, cada bomba de alimentación de caldera toma su succión de un tubo común conectado al calefactor de contacto directo de la planta. Los pasos iniciales de cada bomba descargan a un tubo de succión común de calefactor cerrado. Después de pasar por . el calentador, el agua regresa a los pasos secundarios de las ", bombas de alimentación. La descarga final 'de cada bomba es \ a otro tubo común. Puesto que todos los calefactores intermedios deben puntearse cuando se usan bombas divididas axialmente en este ciclo, se usa el arreglo mostrado de tubería y válvulas. Cada bomba en una unión paralela de este tipo tiene vueltas externas para la salida al calefactor y regreso a la bomba (Fig. 7-53). Con algunos sistemas de bombeo se requiere poca o ninguna , tubería, salvo las conexiones de las unid.acles servidas. Así (Fig. 7-54) el bombeo de aceite combustible y del grupo de calefacción mostrado tiene su tubería completa, incluyendo colado.res, válvulas reguladoras de presión, desviaciones, etc. Para usar un arreglo de este tipo necesita solamente conectarse al tanque de combustible, a la fuente de energía eléctrica y a los quemadores de la caldera servida. Las dos bombas de engranes de la figura 7-55 son parte de un grupo de ocho usadas para mantener un flujo constante de combustible a los quemadores de las calderas de una planta de fuerza. Nótese cómo cada bomba está provista de una válvula de alivio de aire operada manualmente en el 19.do de descarga, dispuesta de manera que el líquido purgado pueda recogerse en una cubeta u otro recipiente. Las piernas de succión tienen tamaño excesivo, lo que permite una alimen-
256
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
tación de reserva de líquido para las bombas. La tubería de descarga está provista de una válvula de alivio de presión, manómetr0 indicador de flujo visible y coladera. TUBERíA AUXrLIAR Muchas bombas requieren tuberías auxiliares de algún tipo -desde drenajes simples para la placa de base hasta tuberías de aceite, agua o líquidos de lubricación, enfriamiento y reducción de escapes de goteras. Esta tubería puede o no ser Linea de alimen tación 1-2 Chum aceras deí motor 3-{ Chumaccra< de I~ bomba @X§) BOJn oa oc aceite intcgl'nl con bomba principal Bomba de aceite auxiliar ® Termómetro (1) Manómet.ro depresión de acei te
ro
Línea de retorno
FrG. 7-56. (a) Las chum aceras de la bomba es tán alimen tadas por la bcmba de aceite lubrica n te. (b ) T a nto las chumace ras de la bomba como e l m oto r está n a limen tados por la bomba d e ace ite lubricante. (e) CD nexión para la bomba a uxiliar d e aceit e lu brican te. (Co rtesía de Paeifie Pumps, lne.)
SISTEMAS
DE
TUBERÍAS
257
suministrada por el fabricante de la bomba, dependiendo del contrato bajo el cual se compra la bomba. Tubería de Aceite. La Fig. 7-56 da tres arreglos para la tubería de aceite de una bomba centrífuga tipo de barril, horizontal. En la Fig. 7-56a, solamente suministra aceite lubricante a las chumaceras de la bomba, del sistema. Tanto la bomba como el motor llevan un suministro de aceite lubricante en la Fig. 7-56b Y e, con una bomba de aceite auxiliar movida separadamente de la bomba principal que se usa en la Fig. 7-56c. Tubería de Agua. Éstas se usan para llevar agua a, y de lOS baleros, estoperos, enfriadores de aceites, mangos de flecha, anillos de empaque y otras partes de la bomba que requieren agua para enfriamiento o sello. Los baleros de empuje están más frecuentemente provistos de enfriamiento ne agua que los de guía, debido a que se genera mayo-r cantidad de calor en los de empuje. Cuando una bomba maneja agu9
FIG. 7-57.
Tubería externa qu e alimenta el líquido a 10& anillos de empaq u e. (Cortesía de Goulds Pumps, ln e.)
258
BOMBAS - S U SELECCIÓN Y APLICACIÓ N SISTEMAS
d e, desgaste
DE
TUBERÍAS
limpia y a baja temperatura, los estoperos generalmente están sellados con agua obtenida de la descarga de la bomba, ya sea.a través de tubería exterior (Fig. 7-57) o pasajes internos (Fig. 7-58). En bombas de varios pasos, el agua de sellado generalmente se toma de la del primer paso. Se recomienda el uso de una fuente independiente de agua para sellado cuando (1) la elevación de succión de la bomba excede de 5 m; (2) la presión de descarga de la bomba es menos de unas 0.7 kg/cm~ (7 m de columna); (3) la bomha maneja agua caliente (120°C) y no se cuenta con enfriamiento adecuado de otras fuentes; (4) la bomba maneja agua lodosa, con arena o abrasivos; (5) la bomba sirve un depósito caliente; (6) se manejan ácidos, jugos, melazas u otros líquidos similares sin precauciones especiales en el diseño de la caja de empaques para el líquido que se bombea. Como medio sellador se usa grasa en las cajas de estoperos cuando no se puede obtener agua clara o un líquido claro adecuado o bien cuando por otras razones no puede usarse. El sellado por grasa es común en bombas de dreI}aje de poca columna y en bombas de aguas negras y también se usa en algunos diseños de bombas químicas. Cuando es inconveniente el escape del estopero a la atmósfera debido a que pueda crear un peligro de explosión o sea peligroso al personal de la planta, puede usarse una prensaestopas; se hace además circular agua o un hidrocarbono obtenido de 'una tubería externa, por un canal entre el prensaestopas y el mango de la flecha.
FIG, 7· 60,
Inlel FIG ,
7·59, Tubería de ag ua típica para es tope ros y chumaceras, (Cortesia de Pa cific Pu m ps, I nc.)
259
Dren aje automá tico de cilindro para una bom· ba de acción directa~
En la Fig. 7-59 se muestra una tubería típica de agua para estoperos y chumaceras. Como en el caso de tubería de aceite, la disposición exacta que se use dependerá del tipo de bomba, del líquido por manejar, tempertura de bombeo, etc.
260
BOMBAS - SU SELECCIÓ N Y APLICACIÓN
SISTEMAS
DE
261
TUBERíAS
Golpe de Ariete. Éste se presenta en un sistema de tubería cerrada cuando la velocidad del líquido cambia súbitamente por (1) arranque o paro súbito, ó cambio en la velocidad de una bomba o (2) abertura o cerrado repentino de una válvula o de otro medio de control de gasto que altere la velocidad del líquido. El golpe de ariete viene frecuentemente acompañado por un ruido desagradable, pero el principal resultado de un cambio repentino de velocidad puede ser una elevación rápida de presión en el tubo. Si la elevación de presión es excesiva puede dañar la bomba y la tubería. Esto puede presentarse ya sea en la tubería de succión o de descarga y en cualquier clase de bomba. La magnitud de la elevación de presión puede calcularse de
= vr/ g
h
FIG. 7-61.
Conexión de la tubería para limpieza de las lineas con aire o vapor. (Cortesía de Neuille Chem ical Co.)
Bombas Reciprocantes. La tubería auxiliar que se usa con las bombas reciprocan tes incluye drenaje para el cilindro de vapor, líneas de aceite lubricante, suministro de vapor para las chaquetas y purgas de aire. Éstas pueden o no suministrarse de fábrica, dependiendo del contrato de compra. La Fig. 7-60 muestra un arreglo de drenaje de cilindro de vapor automático para una bomba de vapor de acción directa. Contiene una válvula de drenaje de bola de doble extremo. La cámara de la válvula está conectada a una trampa de vapor para permitir el drenaje condensado sin desperdicio de vapor. Otras Tuberías Auxiliares. Hay varios casos especiales en donde se requiere tubería adicional. La Fig. 7-61 muestra un ejemplo. La tubería a y de la bomba está provista de acoplamientos a los cuales se pueden conectar mangueras de aire o vapor para el limpiado de las líneas y equipo de proceso. Los acoplamientos permiten una unión rápida y una remoción pronta del aire o de las mangueras de vapor reduciendo el tiempo requerido para la limpieza de la tubería y el equipo.
(7-4 )
donde h = elevación de preSlOn, m de agua; r = con reducción en la velocidad del líquido, m por seg y g = con 9.8 m por seg 2 ; v = 1420( y1+K.R) = con velocidad de la onda de presión en la tubería, en m por seg; K = (módulo de elasticidad del agua) / (módulo de elasticidad del material del tubo; R = (diámetro del tubo) / (espesor de la pared del tubo, cm). Los valores habituales para K en los materiales más comunes usados en tubería son acero, 0.010; fierro maleable, 0.0107; fierro colado, 0.025; asbesto cemento 0.088; madera 0.20. Nótese que la elevación de presión determinada se suma n la presión existente en el tubo antes de que se presente el ariete. El tiempo requerido para que la onda de presión viaje de un extremo al otro del tubo se encuentra de t
= 2l/ v
(7-5 )
donde t = al tiempo en seg para que la onda recorra la longitud del tubo. l = con longitud del tubo entre la bomba y el punto en que se causa el golpe de ariete, en m. . Ejemplo : (.Qué elevación de presión se presentará en una línea de asbesto cemento de 3050 m de longitud si se cierra r epentinamente una válvula a la mitad de la longitud cuando la velocidad del líquido es de 1.67 m por seg y R = 14.7? ¿Qué tanto tiempo le tomará a la onda de presión en viajar de la válvula a la bomba en la entrada de la tubería? . . Solución: La velocidad de la onda de presión es u = 1420/y1
+
(0.088) (14 .7) = 942 mps.
258
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN SISTEMAS
Mitad superior de la
carcll~a ..
.,
:~~t'.: ",
Mitad inferior de la carcasa "
259
Anillos de empaque, alimentados por pasajes perforados internamente. (Cortesía de Weinman Pump Ca.)
limpia y a baja temperatura, los estoperos generalmente están sellados con agua obtenida de la descarga de la bomba, ya sea .a través de tubería exterior (Fig. 7-57) o pasajes internos (Fig. 7-58). En bombas de varios pasos, el agua de sellado generalmente se torna de la del primer paso. Se recomienda el uso de una fuente independiente de agua para sellado cuando (1) la elevación de succión de la bomba excede de 5 m; (2) la presión de descarga de la bomba es menos de unas 0.7 kg/cm 2 (7 m de columna); (3) la bomba maneja agua caliente (120°C) y no se cuenta con enfriamiento adecuado de otras fuentes; (4) la bomba maneja agua lodosa, con arena o abrasivos; (5) la bomba sirve un depósito caliente; (6) se manejan ácidos, jugos, melazas u otros líquidos similares sin precauciones especiales en el diseño de la caja de empaques para el líquido que se bombea. Como medio sellador se usa grasa en las cajas de estoperos cuando no se puede obtener agua clara o un líq uido claro adecuado o bien cuando por otras razones no puede usarse. El sellado por grasa es común en bombas de dreIfaje de poca columna y en bombas de aguas negras y también se usa en algunos diseños de bombas químicas. Cuando es inconveniente el escape del estopero a la atmósfera debido a que pueda crear un peligro de explosión o sea peligroso al personal de la planta, puede usarse una prensaestopas; se hace además circular agua o un hidrocarbono obtenido de'una tubería externa, por un canal entre el prensaestopas y el mango de la flecha,
FIC. 7-60.
Inlel
FIG . 7-59.
TUBERÍAS
.
::Ontratuerca del
FIG. 7-58.
DE
Tubería de agua típica para estoperos y ch umaceras. (Cortesía de Pacific Pu mps, I nc:.)
Drenaje automático de cilindro para una bomba de acción directa~
En la Fig. 7-59 se muestra una tubería típica de agua para estoperos y chumaceras. Como en el caso de tubería de aceite, la disposición exacta que se use dependerá del tipo de bomba, del líquido por manejar, tempertura de bombeo, etc.
262
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Luego, h = (942) (1.67) /9.8 = 159 m de agua = 15.9 kg/cm 2 arriba de la presión existente en el tubo antes del golpe de ariete. El tiempo que toma a la onda de presión para viajar de la válvula a la bomba es t 2(1525)/547 3.24 seg.
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Evitar Golpe de Ariete. Los medios más comunes que se usan para evitar los efectos destructivos y molestos del golpe de ariete operan en forma que reducen la presión desarrollada durante el impulso del flujo del líquido. Los impulsos de presión que siguen a un arranque o paro instantáneo de la bomba pueden mantenerse dentro de límites permisibles por (1) aumento del tiempo en que se efectúa la detención del flujo a varios intervalos de t [Ec . (7-5) J, (2) purgando algo del agua del tubo, (3) o una combinación de estos dos métodos. El diseño del sistema de tubería para una velocidad de flujo baja es también conveniente. Para aumentar el tiempo de cese del flujo, puede usarse un volante en la bomba o una cámara de aire en el tubo cerca de la bomba o del L'bjeto que causa el golpe de ariete. O puede inyectarse aire por medio de un compresor o de una válvula especial para formar un colchón durante el impulso de presión. Las válvulas de alivio de aire pueden instalarse también de manera que sirvan para aliviar aire yagua durante un impulso. Para descargar agua del tubo, pueden usarse válvulas de cheque de cierre lento en la bomba o alguno de los varios tipos existentes de válvulas supresoras de impulsos. La inyección de aire se usa para tubos de longitud media en los que el vacío durante un impulso invertido no exceda a 380 mm de mercurio. La presión del aire es de alrededor de 0.7 kg/cm" menos que la presión de la línea. La aspiración del aire resulta adecuada para cualquier tubería de descarga de alta o baja velocidad arriba de 450 m de largo. Las válvulas de alivio de aire mantienen una línea relativamente libre de aire y se usan en combinación con una válvula de cheque de aire en el punto más alto de la línea cerca de la bomba. Las válvulas de cheque de cierre lento descargan agua ' del tubo de descarga y se usan cuando no es adecuado el utilizar la aspiración de la inyección de aire. Las válvulas supresoras se usan cuando la presión del tubo no baja más allá de la atmosférica durante un impulso.
CAP Í TUL
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MOTORES PARA BOMBAS INDUSTRIALES
LProbablemente se han usado en las bombas industriales toda clase de motores y fuentes de potencia, con algún tipo de transmisión de potencia, cuando es necesario. Actualmente las bombas están movidas por motores eléctricos-ya sean centrífugas, rotatorias o reciprocantes. Pero también se usan turbinas de vapor, de gas e hidráulicas y motores de gasolina, diesel y gas. Hay otras fuentes de potencia con popularidad relativamente limitada como motores de aire, turbinas de expansión de aire, paletas de viento,. etc.; pero su utilización _1 está confiada generalmente a ciertas aplicaciones especializadas. #os medios para la transmisión de potencia del motor a la bomba incluyen copIes flexibles, engranes, bandas planas o V, cadenas, así como acoplamientos hidráulicos y magnéticos o engranes!..! MOTORES ELÉCTRICOS Para aplicaciones estacionarias, el medio más común para mover bombas son los motores de corriente alterna (ca) cuando existe alguna razón para no usar motores de ca, se usan de corriente continua (cd). El motor de cd es muy popular en servicio marino en toda clase de embarcaciones. Características de Carga. Hay dos características importantes de la bomba, por lo que respecta a la elección de motor: el par de arranque requerido en operación normal y los requisitos de velocidad. La mayor parte de las bombas centrífugas y rotatorias se mueven a velocidad constante, excepto bombas de gran tamaño en las quese puede variar la velocidad. Muchas bombas reciprocan tes operan a velocidad constan.te, pero en algunas aplicaciones la variación de velocidad permite un ajuste fácil de la capacidad de la bomba.
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Los motores eléctricos para mover bombas en Estados Unidos, * son generalmente unidades de jaula de ardilla y de arranque a voltaje pIe•. o, aunque también se usan algunos motores de cd. También se usan motores de rotor devanado y síncronos. Los desarrollos más recientes en motores sellados "enlatados" y de entrefierro axial así como bombas eléctromagnéticas, están ejerciendo notable influencia en el diseño tanda de bombas grandes como pequeñas. En algunos motores enlatados, el flujo de agua los atraviesa completamente simplificando las conexiones de la tubería de la bomba. Los motores de entrefierro axial se reducen prácticamente al espesor de una tortilla, permitiendo una fácil instalación y mantenimiento. Ambos tipos son a prueba de escapes, un factor muy importante en aplicaciones de procesos. Motores de Corriente Alterna. Los motores de inducción de roto.r devanado ofrecen cuatro ventajas: (1) control de velocidad con variaciones de velocidad hasta del 50 por ciento de la plena, a 40 por ciento del caballaje nonnal, (2) alto par de arranque con bajos kva en cargas pesadas; (3) alta disipación de calor en el reóstato de un arranque, que pennite grandes pérdidas por deslizamiento durante el arranque sin que el motor peligre; (4) cargas de tipo amortiguada por la operación de alto deslizamiento, lo que da un efecto de volante muy deseable en las cargas pico. Los motores de rotor devanado se usan frecuentemente cuando se requiere la operación periódica para velocidad reducida. Los motores síncronos modernos son unidades de doble propósito: son un medio eficiente para mover las bombas y al mismo tiempo suministran un modo práctico para mejorar el factor de potencia de una planta. Un motor síncrono se puede aplicar a ' cualquier carga que pueda moverse satisfactoriamente por un motor de jaula de ardilla diseño B de NEMA. Otras cargas para las cuales está particularmente bien adaptado el motor síncrono son las que requieren un kva bajo de arranque, para controlarle a velocidad variable en donde se permite un acoplamiento de deslizamiento. A 3 600 rpm, pueden usarse motores síncronos para cargas de 2 000 a 5 000 hp. Arriba de este caballaje son los motores de elección. A 1 800 rpm es dudoso el que los motores síncronos tengan ventajas arriba de 1 000 hp. En tamaños más peque• y en general en América. (N. del T .)
265
MOTORES PARA BOMBAS INDUSTRIALES
ños se pueden usar para mejorar el factor de potencia de la planta. En la región de 500 a 1 200 rpm, cualquier motor diseñado para servicio continuo y de 700 hp y arriba, pueden perfectamente bien ser síncronos. De 200 a 700 hp en esta velocidad, la elección depende del valor de la mejora del factor de potencia, costo de energía y el número de horas de operación. Debido a su baja eficiencia y a su factor de potencia, los motores de inducción no representan la mejor elección para operaciones abajo de 500 rpm. Los motores síncronos se construyen para operar a factor de potencia unitario o adelantado y con buenas eficiencias, a velocidades tan bajas como 72 rpm. Para conexión directa en tamaños de 200 hp para arriba y velocidad de 500 rpm o menores, el motor síncrono será el más adecuado para bombas reciprocantes grandes. La Fig. 8-1 muestra las regiones de velocidad y potencia típicas para empleo de motores de inducción y síncronos.
36001800 1200 900 720 600 514
450 400 360
Velocidad síncrona. rpm
FIG. 8·1.
R egiones de aplicación para varios motores de c·a.
Los motores síncronos verticales de flecha hueca se usan para algunas bombas de pozo profundo. Las características eléctricas de estas unidades son las mismas que para moví-
MOTORES PARA BOMBAS INDUSTRIALES
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267
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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Porciento de corriente de plena carga
FIG. 8-2.
Ca racte rísticas de velocidad , par y potencia d.e motores de c-d.
'. FIG. 8-3.
M otor con ventilación forzada qu e mueve a una bomba de alimentación de caldera.
!liento horizontal pero las características mecánicas son algo diferentes. Los requisitos de protección contra sobrevelocidad o rotación en sentido contrario para el motor pueden ser mayores que lo normal. Por ejemplo, cuando el motor se detiene, el líquido en la tubería de descarga puede regresarse del tubo, produciendo una inversión de la rotación del motor. Para evitar esto, generalmente se usa un acoplamiento de trinquete u otro medio. Esto evita la inversión del motor o limita la velocidad de inversión a un valor seguro. Se usa éste también con otros tipos de motores. Para aplicaciones de bajo caballaje con bombas pequeñas, el motor monofásico de inducción del tipo capacitador resulta muy apropiado para muchas aplicaciones. Todas las unidades monofásicas, salvo el tipo universal, deben contener algún aditamento auxiliar para desarrollar 1m buen par de arranques. Los tipos básicos de motores monofásicos incluyen el de polos desplazados, universales, fases divididas, capacitor, arranque de repulsión y síncronos. Con excepción del universal, del síncrono y algunas formas de los diseños de repulsión, todos operan como motores de Inducción. Motores de Corriente Continua. El motor de cd se usa cuando un motor de ca no es satisfactorio. Los motores de cd son productos de alto precio, especialmente en los tamaños mayores. Pero presentan la ventaja de fácil ajuste en su velocidad y control efectivo y simple de par, así como la de su aceleración y su desaceleración. Aún con las limitaciones del conmutador, pueden-y de hecho lo hacen-manejar ciclos de trabajo particularmente difíciles. Como regla empírica se puede considerar el tamaño económico máximo de un motor de cd aquél en que el producto del caballaje por velocidad sea menos de 1.5 millones. Desde el punto de vista de tensión, se usan 250 volts para unidades de 500 hp, 600 volts para 600 a 1 000 hp, y 700 o 900 volts arriba de 1 000 hp. La Fig. 8-2 muestra las características de velocidad, par y caballaje de los tres tipos de .motores de cd: serie, paralelo y compuesto. Muchas bombas centrífugas operan a 1 800 o 3 600 rpmi ambas velocidades representan valores de equipo síncrono de ca. Con motores de 'cd, puede obtenerse cualquier valor intermedio, mayor o menor de velocidad, si se usan controles adecuados. Sin embargo, es mejor operar el motor a su
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MOTORES PARA BOMBAS INDUSTRIALES
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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velocidad normal. Ésta puede variar de 50 rpm para motores de 1 000 a 8 000 hp a 3,500 rpm para motores de 1.5 a 40 hp. Carcasas. El tipo de carcasa esp€cificado para un motor que mueva una bomba es particularmente importante debido a que las bombas se colocan en una gran diversidad de lugares: intempelie, interior, en minas, cuartos de bombeos de barcos, etc. Las carcasas típicas que se usan con bombas incluyen las de a prueba de goteo, a prueba de salpicaduras,
FIG. 8-5.
FIG.
8-4.
Motores autoventilados en estación de bombeo de tubería. [Cortesía de Standard Dil Co. (N.J. ) ]
ventiladas por tubo, protegidas de intemperie, etc. Para una lista completa de carcasa que se pueden obtener en los motores hasta 200 hp, véase la ' publicación MG-I-1955 de NEMA. Los motores ventilados por tubería tienen un ventilador exterior como se muestra en la Fig. 8-3, mientras que en la FÍg. 8-4 se muestran unidades autoventiladas en una estación de bombeo para una línea de tubería. En todos los motores ventilados es important.e que el aire esté libre de gases o polvos peligrosos. Auxiliares Integrales. Los fabricantes de motores actualmente incorporan las unidades de transmisión de potencia en las corazas de muchos motores. Típicos entre éstos son el motorreductor (Fi~. 8-5) y el motor de transmisión hidráulica. La popularidad del motorreductor se apoya en el hecho de que el costo y el tamaño de los motores eléctricos aumentan considerablemente conforme disminuye la velocidad para
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Motorreductor doble. (Cortesía de la Link-Belt Co.)
un caballaje dado. Generalmente es más económico el obtener velocidades de motor bajas con el uso de motores normales de 1 750 rpm, reduciendo su velocidad de salida por algún medio. Entre 1/6 y 200 caballos, se diseñan muchos motorreductores para velocidades de salidas de 5.7 a 780 rpm. Cuando la velocid&d de la bomba es de 900, 1 200 o 1 800 rpm síncronos, puede usarse un motor con 8, 6 o 4 polos, respectivamente, sin reductor de velocidad. En la región de 700 a 900 rpm, sin embargo, muchos ingenieros prefieren el motor de 1 800 rpm en combinación con bandas planas o V. A 700 rpm o menos, la práctica común es usar una transmisión por cadena, por banda, por reductor de engranes separados o bien la práctica que se está haciendo popular, de usar el motorreductor. Los motores ele velocidad variable acoplados por engranes o bandas para muchas velocidades de salidas diferentes, son también populares. . Requisitos del Par. Para obtener los requisitos de par de arranqu.e y de operación de una bomba en particular, hay qtH'! consultar al fabricante. El par de arranque varía generalmente en forma considerable de un tipo de bomba a otro. Con bombas centrífugas típicas el par de arranque es de 15 a 20 por ciento del par ele operación normal. Las bombas rotatorias y reciprocan tes tienen pares de arranque msyores hasta 150 por ciento cU,ando no están provistas de una desviación. Conexión al Motor. El motor, turbina o máquina de combustión puede acoplarse directamente a la bomba por medio de un copIe flexible (Fig. 1-14), copIe del tipo espacia-
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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FIG. 8-7.
Transmisión hidrá ulica para aplicación de bomba. (Cortesía de American Blower Corp.) 200
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o FI(; . 8-6. (a) B omba para manejo de cenizas movida por banda, por un motor en montaje elevado, de 50 hp. (Cortesía de American Brake Shoe Co.) (b) B omba de motor con claro axial. (e) Bomba de aeroná utica de motor enlatado.
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FIG. 8 -8. Ahorro en presión y potencia con transmisión hidrá ulica para una bomba de alimentación de caldera. (Cortesía de American Blower, Corp.)
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
dor (Fig. 13-7), engranes (Fig. 3-4), bandas (Fig. 8-6a), transmisión hidráulica (Fig. 8-7) o una combinación de és: taso El tipo elegido depende de muchos factores, que se discuten a continuación. La Fig. 8-6b muestra una bomba movida por un motor de entrefierro axial. Transmisiones Hidráulicas. Estas (Fig. 8-7), son populares para movimiento de bombas de alimentación de caldera porque permiten una reducción substancial en la demanda de potencia de la bomba y la presión de descarga. La unidad mostrada consiste de un impulsor 1 conectada a la flecha del motor o de entrada, una guía R conectada a la flecha exterior o de la bomba, una bomba de aceite del tipo de engranes P, enfriadores de aceite e, y un control S. Según lo muestra la Fig. 8-8, la presión desarrollada por una bomba típica movida por una transmisión hidráulica es menor que la de una bomba de velocidad constante a flujo reducido. Est& diferencia disminuye conforme aumenta el flujo y será diferente para cada instalación, pero el ahorro en Dlesión existe a lo largo de toda la región de flujos, excepto en el punto de flujo má~imo. El máximo ahorro de poteT' cia que resulta de una presión disminuida y una operaciéi'O de bomba mejorada es de bastante importancia. Los acoplamientos hidráulicos también se usan para mover muchns otros tipos de bombas, incluyendo las de refinería, pozo profundo, proceso, etc.
MOTORES PARA BOMBAS IN'" J STRIALES
juego de engranes de subida o de bajada, dependiendo de la velocidad requerida en la bomba. Gobernadores. Pueden usarse varios tip0s diferentes de gobernadores para turbinas de vapor en aplicaciones de bombas: velocidad constante, presión constante y presión diferencial. La Fig. 8-10 muestra curvas caracterlsticas de bombas obtenidas con varios tipos de motores y gobemadores de
FIG. 8-9.
TURBIN AS DE VAPOR Existen numerosas instalaciones en las que las turbinas de -vapor ofrecen un control de velocidad simple, así como la p0sibilidad de mejorar el balance del valor de la planta con ~l uso del vapor de salida, o bien descargando a calentadores de algún tipo. Las plantas de fuerza, refinerías, procesos químicos y estaciones de bombeo en líneas de tuberías son ejemplos de plantas que usan turbinas de vapor para mover bombas. El tipo más común de bomba movida por turbina de vapor es la centrífuga, pero ocasionalmente se encuentran también bombas rotatorias y reciprocan tes. La Fig. 8-9 muestra una turbina típica diseñada para movimiento de bomba centrífuga. Las unidades de este tipo generalmente se conocen como turbinas de movimiento mecánico y pueden mover la bomba directamente o conectarse a ella por medio de un
273
Turbina de vapor para movimiento de bomba. (Cortesía de D ean. I-lill Pump Ca.)
turbina. Nótese cómo la columna de corte de la bomba centrífuga movida por estas unidades varía de un tipo de motor y gobernador a otro. Para aprovechar más adecuadamente el balance de calor de la planta, pueden moverse algunas bombas ya sea por motor o por turbina. Cuando un motor opera, el otro simplemente gira en forma loca con la bomba. Pasos. No hay reglas fijas por lo que respecta al número de pasos de presión que se usen en una turbina que mueva una bomba. Sin embargo, abajo de 100 hp, se usan generalmente turbinas de un solo paso y en salidas mayores se usan unidades de varios pasos. Pero cuando el espacio es limitado o se requiere una construcción simple, algunas veces se usan unidades de un solo paso en capacidades arriba de 100 hp. Algunas instalaciones marinas usan turbinas de un solo paso
" MOTORES PARA BOMBAS INDUSTRIALES
275
274
para caballaje mayor debido a que frecuentemente el uso excesivo de espacio y la complejidad constituyen una desventaja. Características de Vapor en la Turbina. La Fig. 8-11 indica los datos para determinar las características de vapor para un tamaño de rueda de turbina en unidades de un solo paso de io a 1 200 hp, 1 000 a 6 500 rpm. La presión inicial de vapor puede llegar hasta 60 kg/cm 2 , la temperatura hasta 400°C;,la presión de descarga a 5.3 kg/cm 2 • .
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Ejemplo: Encuéntrese el consumo de vapor para una turbina de vapor de 400 hp, 3 000 rpm, que mueve una bomba, si la presión de vapor inicial es de 14.1 kg/cm ~ , temperatura inicial de 51.7°C sobrecalentado y la presión de descarga es de 1.76 kg/cm 2 , cuando se usa una rueda de 40.6 cm de diámetro. Solución : E/! = 1.71/14.1 = 0.1 25. Éntrese en la parte inferior de la Fig, 8-11 y proyéctese verticalmente hacia arriba a la curva de velocidad de 3000 rpm, A la izquierda se lee 28 ,2 kg por cabaÜo -hora. Corríjase por sobrecalentamiento utilizando la gráfica pequeña (Fig. 8-11) Y proyectando hacia la curva de corrección. A la izquierda léase el factor de corrección como 0.925. El consumo de vapor para un impulsor de 40.6 cm es de (28.2) (0.925) = 26.1 kg/hp - hora. Los valo res obtenidos por este método son aproximados pero pueden usarse en la estimación de las necesidades de vapor cuando no se tienen la" IZa· rantías del fabricante.
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FIG . 8-10. Curvas características obtenidas de la misma bomba con diferentes primo-motores. (Cortesía de De Laual Steam Turbine Co.)
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FlG. 8-11. Gastos aproxi mados de vapor para turbinas de un solo paso, de 40 cm. de diámetro. (Cortesía de Gen eral Electric Co .)
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Aplicación de Turbinas. Las turbinas de vapor deben considerarse como aplicables al movimiento de bombas cuando deben llenarse uno o más de los siguientes req uisi tos. (1) arranque rápido de la bomba por ejemplo en instalaciones de emergencia o de reserva; (2) cuando se necesita vapor de descarga a baja presión para procesos en la planta u otro equipo; (3) en atmósferas explosivas en las que no es adecuado el uso de motores eléctricos o de combustión interna (la turbina debe entonces equiparse con accesorios y aparatos de control a prueba de chispas); (4) en áreas húmedas y calientes; (5) en los casos que es necesario un motor de' velocidad variable para la bomba; (6) en bombas de alta velocidad con velocidades en la flecha del orden de 12 000 rpm. MÁQUINAS DE VAPOR
Con excepción de las bombas de vapor de acción directa, las máquinas de vapor reciprocantes se usan raramente en la actualidad para mover bombas en aplicaciones estacionarias.
MOTORES PARA BOMBAS INDUSTRIALES
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Sin embargo, todavía se usan ampliamente en algunas aplicaciones marinas-remolques y dragas. En remolques y embarcaciones similares se usan máquinas simples o compuestas para movimiento de bombas. En dragas de succión, generalmente se usa la máquina "uniflujo" para mover la bomba principal. Los consumos de vapor de las máquinas de flujo varían desde un mínimo de unos 4 kg/hp-hora a un máximo de unos 10 kg/hp-hora. Las bombas de vapor de acción directa de distintos tipos se han discutido e ilustrado en el Capítulo ':? La longitud variable del tubo de descarga y la diversidad de 'materiales que se manejan ha hecho popular la máquina de flujo simple en dragas de succión debido a que combinan control flexible de potencia y velo cidad con bajos consumos de vapor. MÁQUINAS DE COMBUSTIÓN INTERNA En recientes estudios efectuados en establecimintos industriales y de servicio en los Estados Unidos muestran que alrededor del 86 por ciento de las bombas centrífugas en uso están movidas por motor; 44 por ciento de las bombas reciprocantes, 96 por ciento de las bombas rotatorias y 95 por ciento de las bombas de pozo profundo. Las máquinas de vapor, turbinas, y motores de combustión interna , mueven alrededor del 13 por ciento de las centrífugas. El vapor domina en las unidades reciprocantes de mayor tamaño, moviendo casi la mitad de las que hay en uso . Aun cuando las máquinas de combustión interna rara vez pueden mejorar a un mo·tor eléctrico desde el punto de vista puramente económico, ' son sumamente importantes para numerosos tipos de instalaciones diferentes. Probablemente el uso más común se encuentra en áreas aisladas en que no se tiene electricidad. Pero las máquinas de combustión interna también son muy importantes para unidades portátiles de bombeo, grupos de emergencia, algunos tipos de estaciones de bombeo, servicio de irrigación y pozos petroleros. Tipo de Máquinas de Combustión Interna Usadas. Para el movimiento de bombas se usan los motores de diesel, gasolina, doble combustible, gas y aceite de baja compresión. El tipo de máquina que se fija depende de la cantidad de potencia requerida, tipo de combustible más fácil de obtener y a menor costo, tipo y número de operadores que pueden em-
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plearse y cIase de instalación que habrán de servir las máquinas; permanente o temporal. Muchas instalaciones permanentes se encuentran en la industria del petróleo para transporte de aceite crudo o refinado a través de tuberias. Las industrias de construcción minera usan bombas portátiles. Las plantas de drenaje tienen máquinas que utilizan gas de drenaje como combustible. Algunas embarcaciones, por ejemplo, botes camaroneros, remolques, grúas y otras de servicio en bahías, usan máquinas de combustión interna para mover bombas. En estos casos el tamaño y pesos reducidos son importantes. Oleoductos. En muchas estaciones de bombeo las máquinas que mueven las bombas usan el propio combustible que manejan como tal, reduciendo los gastos de transporte para éste y eliminando mucha de la capacidad de almacenamiento que sería necesaria de otra manera. El ahorro en almacenamiento reduce el costo inicial de la estación. La Fig. 8-12 muestra una estación típica de este tipo. Esta estación es poco usual en el sentido de que la máquina diesel que mueve la bomba centrífuga de líquido inflamable de 6 pasos, está localizada en el mismo cuarto que la bomba. En la mayor parte de las estaciones es práctica común el separar la bomba de la máquina por medio de un muro a prueba de gas y un sello de flecha del mismo tipo (Fig. 8-14). En este caso, sin embargo, la bomba está provista de sellos mecánicos dobles y el aire en la vecindad de los sellos, constantemente se extrae a través de una tubería de cobre a un analizador de gas combustible y a una alarma en el tablero de instrumentos (flecha, Fig. 8-12). Se han llegado a bombear hasta 23 líquidos combustibles diferentes con esta bomba. Los motores están acoplados a la bomba por medio de una transmisión de velocidad variable. La velocidad del motor está controlada principalmente por las presiones de succión y descarga de la bomba. La Fig. 8-13 muestra el interior de otra estación que usa máquinas diesel para mover bombas. Cada unidad mostrada es una máquina del tipo de doble combustible con supercargador de 4 ciclos, 1 780 hp y que mueve una bomba centrífuga de 5 pasos de 20.4 por 25.4 cm a través de un juego de engranes para aumento de velocidad con una relación de 7.6: 1. Tal como se acostumbra en muchas estaciones de este tipo, un
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN MOTORES PARA BOMBAS INDUSTRIALES
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FIG . 8-14. Muro a prueba de gas que separa las máquinas de la Fig. 8-13 de las bombas y engranes. (Cortesía de Nordberg Mlg. Ca.)
F.IG. 8-12. Estación de bombeo típica para petróleo, movida por dlesel mostrando la bomba, el motor, y el analizador de gas combustible (flecha) . (Cort esta de Min e Safety Appliances Co.) ~····- ·1~ _
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FrG. 8-13 . Vista general d e una estación de tubería de petróleo utilizando máquinas diese!. ( Cort esía de Nordb erg Mlg. Ca.)
muro a prueba de vapor (Fig. 8-14) separa los engranes y las bombas de las máquinas. Control de Avenidas, Irrigación y Drenaje. La Fig. 8-15 mue,stra el interior de una estación de control de avenidas movida por máquinas de combustión interna. Cada una de las bombas de propulsor de flujo axial y horizontal de columna estática de 3.35 m con 22750 lps y 285 cm de diámetro en esta estación (Fig. 5-3) está movida por una máquina diesel de pistones opuestos de 1 600 hp. Al presente (1956),
FIG. 8-15. Interior de una estación de control de avenidas mostrando las máquinas diesel y los engranes para el movimiento de 'bombas. (Cort esía de Fairbanks , M orse and Co.)
MOTORES PARA BOMBAS INDUSTRIALES
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
ésta es la estación de bombeo de potencia propia más grande del mundo. La capacidad combinada de las seis bombas es de 136 000 lps. Solamente las estaciones de mayor elevación en la presa de Grand Coulee y de Mili Creek, Ohio, pueden bombear mayor cantidad de agua. Las máquinas diesel se escogieron para mover estas bombas principalmente para asegurar la continuidad de operación durante períodos de tormenta, cuando. la planta se necesita con mayor urgencia y cuando las líneas de transmisión eléctrica podrían ser más vulnerables a la falla. Así también, las características de potencia y eficiencia de las máquinas diesel las hacían apropiadas para mover bombas de flujo axial a velocidades variables bajo diversas condiciones de carga. Otro factor fue la economía de operación de los dieseIs en una planta en la que se anticipaba el equivalente de 52 días de bombeo a plena capacidad. Las plantas para aguas negras tienen frecuentemente disponibles grandes cantidades de gas. El gas tiene generalmente un valor de 5 340 a 6 230 Cal por m\ obteniéndose por lo reguiar de .085 a .170 m" de gas por día per cápita, de los tanques de digestión. Las máquinas que se usan para gas de aguas negras son generalmente unidades de alta compresión. Se usan tanto los tipos de ignición como los de diesel en las plantas modernas.
usaron dos bancos de bombas. Ambos bancos son idénticos, conteniendo cada uno cinco bombas centrífugas. Dos bombas en cada banco tienen una capacidad de 158 lps, mientras que las otras tres tenían la capacidad de 252 lps. En un banco, cinco máquinas diese! mueven las bombas y en el 'otro, cinco motores eléctricos (Fig. 8-16) . Además, una bomba de balance de 6.3 lps, mantiene una presión de 11.6 kg/ cm~ en todo. el sistema de suministro de agua, que contiene 6 km de tubería . Instalaciones Marinas. Los movimientos de bombas o máquinas de combustión interna en servi cio marino encuentran su mayor aplicación en barcos de motor, aun cuando algunos vapores las usan para servicio de emergencia. Son CQ.munes los grupos que combinan los tres servicios auxiliares -bombeo, generación de potencia y compresión de aire- en las embarcaciones de motor más pequeñas, tales como remolques, y botes pesqueros. En la Fig. 8-17 se muestra un grupo típico. La bomba (abajo hacia el centro, Fig. 8-17), está movida por una banda de la flecha del motor, a través de un em-
FIG. 8-16. Inte rior de una estación para combatir incendios, Ae ropuerto de Idlewild. (C ort esía de Th e Na tional Supply Co.)
Protección Contra Incendio. Las bombas y motores instalados en la estación de bombeo del Aeropuerto Internacional de Nueva York en Idlewild , N. Y., presentan un estudio interesante de buenas prácticas de aplicación. Para obtener un sistema tan flexible y tan confiable como fuera posible, se
FlG.
8-17. El gru po m ovid o por di esel para usos m a rin os t.i e ne bom ba. compreso r y ge ne rador. ( C orl e.< ía. de Lisl pr- Blacks to n e .)
282
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
brague. El generador está conectado directamente a la máquina diesel, y el compresor de aire viene movido. en la mis~a forma que la bomba. Los grupos más pequeños tIenen las mISmas componentes pero pueden no venir provistos de engranes. En algunos barcos grandes, especialmente los movidos por vapor, pueden usar una unidad de bombeo de emergencia, movida por una máquina diesel o de gasolina. Las dragas modernas generalmente vienen provistas de dieseIs de gran tamaño para mover la bomba principal. Los engranes reductores así como los copIes flexibles se usan comúnmente entre la máquina y la bomba. Para perforación de pozos en el mar, han encontrado últimamente cierto favor la aplicación de grupos generadores diesel eléctricos montados en flotadores. Uno o más grupos suministran la potencia a las bombas de lodo movidas por motor, y al equipo de operación y control. Las bombas de lodo y equipo de perforación pueden operarse separadamente o en combinación. Normas de Capacidades. La capacidad de una máquina diesel viene afectada por la temperatura y la presión barométrica del aire de entrada y por lo tanto por la altura a la que opera la máquina. Para que las correcciones no sean necesarias en las instalaciones más comunes, las normas de capacidad especificadas para nivel del mar por la Asociación de Fabricantes de Máquinas Diesel (DEMA) se conserva hasta 450 m de altura y a temperaturas atmosféricas de 32°C y presiones barométricas no menores de 717.5 mm de mercurio. Las máquinas que operan a alturas superiores a 450 m, deben considerarse reducidas en capacidad. La DEMA publica una curva de reducción de capacidad para alturas hasta de 4 500 m. A 1 500 m una máquina diesel solamente operará con el 85 por ciento de su capacidad al nivel del mar; a 3 000 alrededor del 67 por ciento. Cuando la máquina debe operar a temperaturas de entrada superiores a 32 °C, el fabricante deberá extender su garantía sobre la base de la temperatura real. Para estimar el consumo de combustible para una planta de bombeo proyectada, el mejor procedimiento es el calcular el número de caballos-horas de operación que se espera a varias cargas y multiplicarlos ya sea por la garantía real dada por el fabricante del motor o con datos típicos de consumo de combus tible. Los dieseIs pequeños usan alrededor de 22.7 lts
MOTORES PARA BOMBAS INDUSTRIALES
283
de combustible por 100 caballos-horas, las máquinas grandes , usan alrededor de 18.9 lts por 100 caballos-horas. Máquinas de Gasolina. Las máquinas de gasolina del tipo industrial para mover bombas vienen clasificadas generalmente para servicio continuo a máxima salida. Puesto que el precio del combustible para una máquina de gasolina es generalmente mucho mayor que para una diesel, la máquina de gasolina no encuentra mucha aplicación en capacidades de más de 150 hp, para mover bombas. A la fecha, los motores de gasolina son populares para aplicaciones portátiles en el que el c~sto del combustible es secundario al menor peso,
, .'
FIG. 8-18, ' Torre de bombeo, movida por máquina de combustión in terna en K'a nsas, eleva aceite de una profundidad de 1 100 m , puede operar sin atención 5 días de la semana. (Cortesía de Fairbanhs. Morse and Ca,)
facilidad de operación y cierta independencia de los problemas de suministro de combustible en áreas alejadas en donde la gasolina se obtiene generalmente con mayor facilidad que el combustible diese!. Entre las aplicaciones de motores de encendido con chispa a baja compresión que usan gasolina, trae. tolina o gas natural como combustible, incluidas el borr.'oeo de pozos petroleros (Fig. 8-18), motores para bombas -je lodo, etc. Cuando hay peligro de ignición asociarlo coro almacenamj~t'f~· ie ::;ymb..:.süble, las máquinas de diesel o t.ractolina se prefieren sobre las de gasolina y de gas natural.
284
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
El consumo de combustible para máquinas de gasolina típicas de 4 ciclos varía entre 0.204 y 0.318 kgjhph dependiendo del tamaño de la máquina, método de enfriamiento, condiciones mecánicas, etc. El peso de las máquinas varía de 4.5 a 23 kg por hp, comparados con 4 a 68 kg para dieseIs. Las máquinas para gas natural de ignición por chispa usan de 0.226 a 0.:396 m ' de gas por hph, dependiendo de los valores caloríficos del gas, cantidad de humedad en él, etc. Los valores dados sirven para estimaciones cuando se tienen datos del fabricante. Datos Comparativos. Los motores de gasolina que sirven cargas continuas tienen un costo de combustible de tres a cuatro veces el correspondiente de un diesel que mueva la misma bomba. Cuando el costo del combustible en centavos por litro para un diesel es igualo menor que el costo de pot encia eléctrica, en décimos de cvs por kwh generalmente el diesel es una inversión co nveniente. Por ejemplo, en un área donde el costo de combustible es de 1.06 cvs por litro , el costo del movimiento de una bomba con una máquina diesel que use este combustible es equivalente a comprar potencia eléctrica a 4 décimos de centavo por cada kwh. Las máquinas de gas natural con ignición de chispa resultan generalmente económicas cuando el costo del gas varía entre 7 y 10 cvs por m". Aun cuando estas reglas aproximadas no so n exactas para todas las instalaciones, son útiles en estimaciones preliminares. La capacidad de las bombas movidas por máquinas de gasolina disminuye alred edor de 1 por ciento por cada 200 m. Arriba del nivel del mar y la columna se abate alrededor de 1.6 por ciento tamhién por cada 200 m arriba del nivel del mar.
MOTORES PARA BOMBAS INDUSTRIALES
( 11 )
TURBINAS DE GAS Para bombas centrífu gas de alta velo cidad , las turbinas de gas presentan un futuro promisorio en los casos. en que una turbina de vapo r podría ser un motor adecuado. Las turbinas de gas quizás puedan desplazar a las máq uinas de combustión interna reciproca ntes para mover bombas por tátiles de mu chos tipos. Mu cho depende del desarrollo presente pn los talleres y labora tori os de diversos fabri ca ntes. Aplicaciones. La Marina Am erican a y va ri as co mp añí as petrolera s están estudiando activamente el uso dp turbinas
FIC. 8-19. Bomba movida po r aire para prensas hidráulicas. (a) V ista exte ri o r. (b) Corte. (Cort esía. d e Spragu e En.gin ee ring Co rp.)
286
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
de gas para mover bombas. La Marina tiene numerosas unidades en uso, así como las compañías petroleras. Las unidadés en que se han aplicado hasta ahora incluyen bombas de incendios, portátiles, así como bombas de aceite crudo y de agua. El uso de turbinas de gas de alta velocidad para mover bombas de alimentación de calderas centrífugas, y estaciones de fuerza de vapor se está haciendo cada vez más interesante para los diseñadores de plantas de fuerza. Las turbinas de gas ofrecen varias posibilidades de mejora del balance del calor de la planta. Capacidades Caloríficas. Las turbinas de gas modernas tienen consumos caloríficos que varían desde 242 Cal por hph en unidades abiertas de dos flechas interenfriadas regenerativas acerca de 577 Cal por hph para unidades abiertas simples de una sola flecha. Aun cuando unas turbinas pequeñas se encuentran ya en línea de producción, las unidades mayores se construyen específicamente para trabajos ya determinados. .
CAPÍTULO
9
SELECCIÓN DE BOMBAS
Probablemente el mayor problema con que se encuentra un ingeniero al diseñar un sistema de bombeo es la elección de la clase, tipo, capacidad, columna y detalles de la ~omba o bombas que habrán de usarse en un sistema. Hay tal variedad de bombas útiles y tantas aplicaciones posibles para cada una de ellas que generalmente es difícil estrechar la elección a una unidad específica. Este capítulo tiene como objetivo el reducir muchas de las dificultades que se encuentran en la selección de la bomba. Al usar los métodos presentados aquí, el ingeniero puede comenzar con las condiciones hidráulicas que deberá llenar, procediendo, por medio de unos cuantos pasos simples, a la bomba más adecuada para las condiciones del líquido. Luego, usando un análisis económico, tal como se discute en el Capítulo 10, puede llegar a la unidad más económica para su planta. I Métodos de Selección. Las bombas se eligen general1ente por uno de tres métodos: (1) el cliente suministra d~talles completos a uno o más fabricantes, de las condiciones de bombeo y pide una recomendación y oferta de las ~nidades que parezcan más apropiadas para la aplicación; (2) el comprador efectúa un cálculo completo del sistema de bom. " 'beo procediendo luego a elegir la unidad más adecuada de catálogos y gráficas de características, o (3) se usa una combinación de estos dos métodos para llegar a la selección final. Selección del Fabricante. Este método se usa para bombas grandes en aplicaciones con condiciones poco usuales y en casos en que el ingeniero no tenga tiempo o no se desee efectul:).r él mismo la elección de la bomba. Aun cuando esto parece relevar al ingeniero de mucha de la responsabilidad de la elección de la bomba, de hecho no es así. Las recomendaciones y ofertas deben evaluarse y compararse, y para hacer esto, se requiere un conocimiento completo del problema
FUENTES MISCELÁNEAS DE POTENCIA Bajo esta clasificación, el aire comprimido es probablemente la fuente de potencia más usada. Las bombas típicas que usan aire comprimido del sistema de aire de la planta desarrollan altas presiones cuando manejan pequeño volumen de líquido. Se usan para probar tuberías, o válvulas y recipientes a presión y para operar pequeñas prensas de moldeo y equipos similares. Entre los otros tipos de bombas operados por aire se incluyen las de aguas negras, manejo de alimentos, prensas hidráulicas y bombas de medición. La Fig. 8-19 muestra un diseño usado frecuentemente para prensas hidráulicas y pruebas hidroestáticas. AUn cuando la operación manual de las bombas se considera generalmente como anticuada, la Fig. 20-1 muestra una aplicación de cebado típico para una bomba operada manualmente. La bomb!i de mano vertical reciprocante se usa para cebar la bomba centrífuga hOTizontal estrechamente acoplada y con una capacidad de 17.4 lps. Los servicios de cebado, vaciado de tambores de aceite lubricante y pruebas hidro.státicas representan la mayor parte del campo de servicio de las bombas de mano actualmente.
.1
288 Tabla 9-1.
1,
Compendio d e D a tos Esencial es qu e se R equi e ren en la S elección ele Bombas Ce ntrífu gas *
Número de unidades req ue rid as.
2.
:l ,
BOMBAS - S U SELECCIÓN Y APLICACIÓN
N a turaleza de l líquido qu e hab rá de bom bcar.se . Es el líquido: n . ¡, Agua rresca o salada , á cida o al· cali na. aceite. gasolina, lodo o pulpa de papel ? b . Frío o cal ia nte; y s i es caliente ¿a qué tempe ratura? ¡. CuAI es la p res ió n de va por de l liquirl o a la lempera lura rl c bo mbeo? c. ¿ C uá l es fi U n ensidad '! d . (,Es viscoso o no? c. ¿ Limpio y lihre de mat e rias extra r' as o s ucio y a br~ s i v()? En este úl tinio Caso. i,C': llá l es el tama ño y nat.ural eza de los só lid os y son és tos abrasivos? S i el liquido es de Ilu!ura leza pu lposa ¡,cuál es la consistencia. expresada y a sea en porcentaje o en kg 1m:! oe líquido? ¡, Cuál es el material en s us pensión? ,. ¿C uál es el a nális is qufmico, No . pH . etc? ¿Cuáles son las variaciones perm is ibles en este aná lis is? En caso de ser corrosivo ¿cuá l ha sido la ex periencia pa1'lad a . tanto con m a t.c ri.('¡, les sa tis factor ios como no satisfactorios? Capa cidnd. ¿CuAl es la ca pac idad req uerirla élsí co mo la ca n tidad l11 áx im n y mínima de líqu ido qu e habrá d e d esa rro ll a r la bo m ba?
1. Cond iciones de succió n , Exis te: n.. (, Una elevació n de s ucción ? b . ;,0 u na co)urrma de succ ión? c. ¡.Cuál es la longitud y el diámetro d el tubo de s ucción ? ,~
.'
1).
Condicio nes de d escarga. a . ¿ Cuál es la columna estática? ¿E s co nstante o variable? b. ¿Cuá l es la colum na de fricción? c. ¿Cuá l es la presión de d esca rga máxima contra la que ha brá de t ra bajar la bo mba ?
6.
Columna to tal. Variac io n es en los puntos 4 y 5 C3 U r:a rA variacio nes en la columna t.oral.
7.
(:Es el serv ic io co n tinuo o intem"d ~ t.cn te?
R.
...Se ha b rá de ins ta lar la bo m ba en pos ición hor izon ta l o vertica l? En csle llltill1 0 ra so. a . ¡, E n pozo húmedo? b . ¿En pozo seco?
!l . ¿Qué tipo de polencia se tiene dis po. nibl e para move r la homba y cuáir:.s so n las ca racterís ti cas oc ésta?
10.
¿Qué Iimi k1c io nes d e es pacio, peso o transpo rte habrán de encontra rse?
11..
Loca lizad/ni d~ insta lació n. a. Localización geog ráfi ca. b . Elevación sob re el ni vel d el mar . c. Tns ta lac ión inte rior o a la intemperie . d . Variació n de las tcn1 p crnt.ura.s am hien tes.
12 . ¡. Exi sten a lf.:'unos rcquis Hos o prerere nciar; marcadas co n res pecto a discr)o, co nstru cc ió n o ca rac tc rislicas de las "om ba~?
Co rl.e 8ia de W ort.h l:n¡¡ton Cor p .
de bombeo, los m~ritos relativos de varios diseños y la econo- '. mía de la instalación. Datos I>ara el Fabricante. La Tabla 9-1 agrupa los datos esenciales requeridos por cualquier fabricante de bombas antes de que pueda preparar una recomendación y una oferta. Muchos fabricantes tienen formas qu e puede llenar el ingeniero sin pedir una recomendación. Éstos pueden ser suma-
SELECCIÓN
DE
BOMBAS
289
mente útiles debido a que ayudan a evitar la omisión de datos importantes. Cuando se suministran datos a un fabricante, debe tenerse extremo cuidado de ver que se den todos los datos concernientes a la instalación. Los datos, cuando no están completos, pueden conducir a una recomendación inadecuada o errónea debido a que el ingeniero que elige la unidad puede hacer suposiciones falsas. De esta manera, el ingeniero de la planta que pide una recomendación para una bomba o una oferta tiene una responsabilidad decidida ante el fabricante y si no se le presta suficiente atención a esto, el ingeniero no tiene derecho a esperar obtener la bomba adecuada. Propuesta. La mayor parte de los fabricantes combinan su recomendación y proposición en un solo documento que se llama una propuesta. La propuesta usual contiene la siguiente información: número de modelo de la bomba, clase, tipo, construcción, detalles y materiales, tipo de motor para el que se ha diseñado la bomba, curvas de operación con tabulaciones, peso unitario, precio, tiempo de entrega de la bomba después de recibida la orden, y disposiciones o acuerdos legales con respecto a planos, garantías, instalación de la unidad, fecha de embarque, condiciones de pago, impuestos, seguros, transportes, etc. Incluido con la propuesta típica viene una ilustración de la bomba y un catálogo. Si la bomba debe construirse especialmente para el comprador puede no incluirse el catálogo debido a que el fabricante puede no tener boletines disponibles. Para evaluar una propuesta es necesario revisar todos los pasos hechos al elegir una bomba para un determinado grupo de condiciones hidráulicas. Estos pasos vienen dados en detalle más adelante. Cálculos en la Elección de una Bomba. Básicamente hay cinco pasos en la elección de cualquier bomba -sea grande o pequeña, centrifuga, reciprocan te o rotatoria-o Estos pasos son: (1) un diagrama de la disposición de bomba y tuberías, (2) determinar la capacidad, (3) calcular la columna total, (4) estudiar las condiciones del líquido, (5) elegir la clase y el tipo. Por conveniencia en estimaciones rápidas estos cinco pasos se conocen como tamaño, clase y mejor compra.
290
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Diagrama Esquemático: El diagrama debe basarse sobre la aplicación real. Generalmente son satisfactorios los diagramas simples de una sola línea (Figs. 4-3 y 4-4). Hay que mostrar todas las tuberías, accesorios, válvulas, equipo y otras unidades del sistema. Márquese la longitud de los tramos de tubería en el diagrama. Hay que asegurarse que se incluyan todas las elevaciones verticales. Cuando la tubería es compleja, generalmente es útil un dibujo isométrico. Capacidad: Las condiciones de la aplicación fijan la capacidad requerida. Por ejemplo, el máximo flujo de vapor de la salida de una turbina, así como las condiciones del vapor, determinan la mínima cantidad de agua de enfriamiento necesaria a una temperatura dada. Los cambios de estación, factor de seguridad deseado, etc., influyen en la capacidad elegida. Los datos del Capítulo 5 y otros capítulof;l posteriores que cubren aplicaciones específicas, son útile$ ,para determinar la capacidad de bombeo requerida para una combinación determinada de condiciones. Cálculo de la Columna Total: Úsense los datos del Capítulo 4 para calcular la columna de la bomba. Como una comprobación, es conveniente someter un diagrama completo del sistema al fabricante cuando se pide una propuesta. En esta forma sus ingenieros pueden también calcular la columna total de la bomba, verificando el cálculo efectuado por el cliente. Esta es una forma adicional de asegurar una selección más exacta de la bomba. Estudio de las Condiciones del Líquido: La densidad del líquido, temperatura, presión de vapor, viscosidad, características químicas, etc., deben considerarse muy cuidadosamente. Véase el Capítulo 6 para una discusión de estos factores y su efecto en la operación de la bomba. Elección de Clase y Tipo: El estudio del diagrama indica qué tamaño (capacidad y columna) de bomba se necesita. Esto da la primera clave por lo que respecta a la clase de bomba más adecuada. Por ejemplo, cuando se requiere un servicio de columna elevada y pequeña capacidad, la Tabla 1-1 muestra que probablemente una bomba reciprocante sea adecuada. Al revisar las características del líquido se encuentran otros índices acerca de la clase, debido a que las condiciones excepcionalmente severas pueden eliminar una u otra clase desde el principio. La economía (Capítulo 10) dicta que
SELECCIÓN
DE
BOMBAS
291
la elección de la bomba debe ser aquella que suministra el costo mínimo por li tro bombeado a lo largo de toda la vida útil de la unidad. Entre los factores de operación que requieren reconocimiento especial cuando se decida la clase especial de la bomba, están incluidos el tipo de servicio (continuo o intermitente), preferencias acerca de la ve lo cid a d de operación (las bombas de alta velocidad pueden ser más baratas), cargas futuras anticipadas y su efecto sobre la columna de la bomba, posibilidad de operar en paralelo o en serie con otras bombas y muchas otras condiciones peculiares a una aplicación dada. Estos factores requieren tanto estudio como los básicos de colu~na y capacidad debido a que son igualmente importantes. Una vez que se conocen la clase y el tipo, puede comprobarse una tabla de características (Tabla 1-2) o curva de característica (Fig. 1-11) para determinar si hay una bomba adecuada para el fabricante en particular cuya unidad se pretende comprar. Esto supone, naturalmente, que se tiene a la mano un juego completo de boletines y otros datos. Cuando las condiciones hidráulicas requeridas se encuentran entre dos modelos normales, es práctica común el elegir el tamaño inmediato mayor de la bomba, a menos que haya alguna razón para requerir una columna y capacidad exactas de la unidad. Cuando un fabricante no tiene la clase y tipo particulares de bomba, o una unidad que llene precisamente las condiciones hidráulicas, hay que referirse a los datos de uno o más fabricantes adicionales. Un hecho importante que hay que recordar es que algunas bombas se fabrican especialmente para una aplicación o planta determinada. Bajo estas condiciones el fabricante de la bomba desarrolla la mayor parte de los pasos que se han señalado arriba, basando su diseño sobre los datos suministrados por el ingeniero de la planta. Demanda de Potencia: La potencia requerida para mover cualquier clase o tipo de bomba puede calcularse de
P
= ¡hs/7 620e
(9-1)
donde P = demanda la potencia, hp; f = gasto, en lps; h = = columna total de la bomba, m de líquido; s = densidad del líquido; e = eficiencia de la bomba, expresada en decimales. Esta ecuación es adecuada para todos los líquidos con una vis-
292
SELECCIÓN
BOMBAS - SU SEIJECCIÓN y APLICACIÓN
Ejemplo: (.Qué demanda de potencia se requiere para entregar 12.6 lps de gasolina con una densidad de 0.75 si la columna total es de 15.2 m y la eficiencia de la bomba 70 por ciento? Solución: P = (12.6) (15.2) (0.75) /7 620(0.70) = 2.7 hp. Para usar la Fig. 9·1 éntrese con la columna total y proyéctese horizontalmente hasta el gasto en lps, y luego verticalmente hacia abajo a la línea de índice. Desde este punto sígase paralelo a la línea inclinada hasta que se intersecta la proyecció n horizontal de la escala de viscosidad . Proyéctese verticalmente para leer la demanda requerida de potencia.
Ejemplo: Una bomba que entrega 31.5 Ips a 1150 rpm y 15.2 m columna requie re 10 hp. ¿Cuál será la capacidad, columna y potencia requerida en la unidad si su velocidad se aumenta a 1 750 rpm? Solución: La nueva capacidad es la misma que la relación de la velocidad, o (1150/1750) = (31.5/x lps y x = 48 Ips. La nueva co· lumna se encuentra en la relación de los cuadrados de las velocidades o (1150) "/(1750) 2 = (15.2)/(y m) y: y = 35.3 m . El nuevo caball aje está en relación directa con los cubos de las velocidades o (1150)3/ (1750) 3 = (lO) / (z hp) o z = 35.2 hp.
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c. ---:!l
'2" "e ~
293
BOMBAS
terísticas de la unidad. Existen tres reglas para relacionar el comportamiento de la bomba con el cambio de velocidad y tres para el cambio de diámetro. Con un impulsor de diámetro constante (1) la capacidad de la bomba varía directamente con la velocidad, (2) la columna varía con el cuadrado de la velocidad, (3) la potencia requerida varía con el cubo de la velocidad. A velocidad constante, (1) la capacidad varía directamente con el diámetro del impulsor, (2) la columna varía con el cuadrado del diámetro del impulsor, (3) la potencia varía con el cubo del diámetro del impulsor. Estas reglas son reales aproximadamente para todos los tipos de bombas centrífugas. Un ejemplo ilustrará en seguida su uso.
cosidad igual a la del agua. Para viscosidades distintas úsese la Fig. 9-1 o los factores de corrección dados en el Capítulo 6.
;3
DE
30
25
Las reglas para el diámetro del impulsor se usan del mismo modo. Calculando el comportamiento de la bomba en un buen número de puntos a lo largo de su curva característica, puede dibujarse una nueva familia de curvas. Éstas coincidirán bastante exactamente con las curvas de pruebas reales. CopIes Flexibles. Para elegir un copIe flexible para una h:)mba tiene que conocerse, la potencia que debe transmitir así como la velocidad de la rotación, el factor de servicios aplicable. Este último punto compensa las cargas por choques y otras variaciones en la potencia de entrada. Los copIes vienen generalmente clasificados en caballos por 100 rpm, determinados de:
20
(; ~
¡;:.
O
-
O'lC) O
O
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O
'D ~ ~
Caball aje req llerid o
FrG. g.1.
O
Gráfica de ca ballaj e para bombas. (Cort esía de Vihing Pump Ca.)
Cambio de Características. El alterar la velocidad o diámetro del impulsor de una bomba centrífuga altera las carac-
::=
100 ( PF ) /S
(0-2 )
donde e = capacidad del copIe, en hp por 100 rpm; P = entrada de potencia a la bomba en caballos; F = factor de servicio del copIe; S = velocidad del copIe, rpm. Los factores de servicio varían de un fabricante de copIes a otro y según el motor que se usa para la bomba. Por ejemplo, un fabricante usa los siguientes factores de servicio: bombas centrífugas movidas por turbinas, 1.25; bombas centrífugas movidas por
294
BOM BAS _. SU SELECCION y APLICACIÓN
motor, 1.5; bombas duplex y triplex movidas por motor, 3.5; bombas centrífugas movidas por motor de combustión interna, 3.0; bombas duplex y triplex movidas por motor de combustión interna, 5.5. Ejemplo: ¿Qué capacidad de copIe deberá elegirse para una bomba triplex m ovida po r m otor de combustión interna y clasificada como 600 hp a 1100 l'pm ? Solu ción C = 100(600) (5 .5)/1100 = 300 hp por 100 rpm. Cuan. do ~e elige un copie hay que asegura rse que se usa el factor de servicio corr ec to porque los valores va rían de un fabri cante a otro.
Velocidad Específica. Es una práctica común recomendable el comprobar la velocidad específica de una bomba propuesta para asegurarse que se encuentra dentro de los límites normales para el tipo de bomba elegido. Ver Capítulo 4. Ej em plo : ¿Cuál es la velocidad específica de una bomba horizontal de tres pasos centrífuga de 1 750 rpm, que maneja 56.8 Ips si la co lumna total desarrollada es de 91.4 m? Solución: La velocidad es pecífica N , = 1/60 (lps) (rpm) /h O. 7 ó , dond e h = columna por paso, en m de líquido N . = 1/60(56.8) (1750)/ (91.4 ) 0. ;; = 56.02. D e la F ig. 1-7 puede verse que una bomba centrí fuga típica t iene una efici encia de alrededor de 82 por ciento a esta velocidad específica y a esta capacidad .
Columna de Succión Positiva Neta. La curva del Instituto de Hidráulica para cspn en bombá de condensado puede usarse más allá de su región gráfica siempre y cuando para una cspn definida, el producto (rpm) (y lps) sea constante. Ej ernplo : Una bomba de condensado de 1 150 rpm tiene una capacidad d e 22.7 Ips a 0. 61 m de cspn . ¿Cuál será su capa cidad a 3 450 rpm ? Solu ción : Usando la r ela ción ante rior, ( 1 150 ( y -22 .7) = (3450) .
(y x
Ips) , o x = 2.5 lps. Esta relación es bastante exacta para las curvas del Instituto Hidrá ulico para bombas de agua caliente, cuando la velocidad se encuentra dentro de ± 25 por ciento d e los valores de la gráfica.
Pérdidas de Fricción. Para interpolar en las tablas de fricción de tuberías se requiere el uso de una relación cuadrática simple. Los resultados que se obtienen son aproximados. Ejem plo: Las pérdid as de fri cción por 100 m en tubo de 15. 2 cm es d e 0.34 kg /cm " cua ndo el fluj o es de 75.7 Ips. ¿Cuá l es la pé rdida para 101 Ips? Solu ción: Las pérdidas a mayor flujo son (101/75. 7) " (0.34) = 0.62 kg/cm~.
SELECCIÓN
DE
295
BOMBAS
Bombas Horizontales Contra Verticales. Esta consideración es cada vez de mayor importancia debido a que las bombas verticales se han hecho muy populares y sus diseños son muy variados. Desde el punto de vista del espacio ocupado en el piso, cspn requerida, cebamiento y flexibilidad en el cambio del ciclo de la bomba, las bombas verticales pueden ser preferibles a las horizontales. Pero cuando se necesita espacio vertical y hay que considerar efectos de corrosión, abrasión y facilidad de mantenimiento, son preferibles las bombas horizontales. Un estudio comparativo de numerosas instalaciones tipicas de bombas verticales del tipo turbina y acopladas estrechamente muestran que la relación del área del piso de las primeras a las segundas es de alrededor de 1.5 en capacidades hasta de 30 lps. Con una carcasa dividida de doble succión, la relación es de alrededor de 3.1. La relación de alturas de las bombas está invertida, debido a que la bomba de turbina vertical es mucho más alta, y los valores son en este caso de 3.4 y 1.9, respectivamente. Hay, naturalmente, alguna variación en estos valores de un diseño a otro. Columna en metros
O
20 40 75 E 200 c:
7.5 ~~~~~~~~~~7~5~ 1 .9~0~1=12~0~I_l~ro~l~má~9_d_e_l_ro___ o -1.2
Succión s imple
-2.4 _12
e
Varios pasos
-30", - ,J5E-
-60 -120
1-----_240 S ucc ión uúble
-600
-tiro
FIG. 9-2. Regiones aproximadas d e columna y capacidad para bombas centrífu gas (succión simple y dobl e ). (Cort esía de Allis· Chalm ers Mig . Ca.)
Diseños de Succión Simple Contra Doble. La Fig. 9-2 aproximadas en las que se usan. bombas muestra las reO'iones b de succión simple y doble. Muestra también las reglOnes generales para aplicación de bombas de uno y varios pasos.
296
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Empaques Contra Sellos Mecánicos. Los rápidos avances en diseño y fabricación de sellos mecánicos hacen obtenibles a estas unidades para muchos servicios de rutina. Los sellos (Fig. 9-3) tienen prácticamente cero escape y pueden usarse para bombas centrífugas y rotatorias. El ahorro de mano de obra de los sellos con respecto a los estoperos frecuentemente inclinan la balanza en favor de aquéllos.
frc. 9·3.
Sello mecánico para bomba centrífuga. (Cort esía de W ein· man Pump Mlg. Ca.)
El empaque, sin embargo, no está eliminado completamente y continuará usándose prácticamente en toda clase y tipo de bombas. En temperaturas arriba de I50 a C, las cajas de empaque en bombas para alimentación de calderas y otras aguas calientes deben tener camisas de enfriamiento. Frecuentemente se recomiendan también los collarines de represión. Las bombas del tipo químico pueden usar cajas de empaque muy profundas. Puede también usarse una fuente externa de lubricación o agua de enfriamiento. Las bombas de condensados y de purgas de calentadores que operan bajo vacío deben tener una jaula de sello (Fig. 1-29) Y co nectarse a una fuente externa de agua limpia. Las bombas para aceite caliente que tienen cajas de empaques s~lladas usan frecuentemente aceite como líquido de sellado. La presiÓn del aceite
SELECCIÓN
DE
BOMBAS
297
de sellado deberá ser por lo menos de 1.75 kg/ cm 2 arriba de la presión de la caja de empaque. Se deben usar collarines de represión . La Fig. 9-4 muestra tilla bomba de tubería con empaques, con cajas de empaques enfriadas por agua y collarines de represión. Las bombas para líquidos volátiles usan frecuentemente sellos mecánicos, así como algunas bombas para aceites calientes. Las bombas para líquidos volátiles con empaques pueden tener collarín de represión, enfriamiento por camisa de
F rc. 9·4.
Bomba típica para tubería. de tres pasos. (Cortesía de Goulds Pumps, [ne.)
agua , sellos de aceite o grasa y una conexión de purga. Un gran número de materiales de empaque existen actualmente en "1 mercado para todos los tipos de bombas. Éstos incluyen algodón, fibras, rayón, cuero, asbestos, teflón, resinas fenólicas, sílice, hule y metales. Enfriamiento de los Sellos Mecánicos. Hay numerosas razones para enfriar algunos sellos mecánicos: (1) evitar temperaturas altas que puedan destruir la película de líquido entre las caras del sellado, (2) eliminar la vaporización del líquido en las carq.s del sellado, (3) proteger el sello, (4) reducir el peligro de incendio cuando se manejan líquidos inflamables, y (5) evitar corrosión por líquidos a. alta temperatura.
298
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
El refrigerante que se use puede ser el líquido que se maneja purgado de un paso intermedio en una bomba de varios pasos o de la descarga en una bomba de uno o varios pasos. Si la diferencia de presión es alta, puede adaptarse un orificio o tubo en la tubería de suministro de líquido del enfriamiento para reducir la presión y limitar el flujo. Prácticamente cualquier líquido claro no inflamable manejado por la bomba es adecuado para enfriar el sello. Los sellos mecánicos dobles que manejan aceite tratados con ácidos, o soluciones fenólicas, ácidos y otros productos químicos, tienen frecuentemente un sistema de enfriamiento auxiliar. Éste consiste de una pequeña bomba, un cambiador de calor, tuberías de conexión, regulador de presión y medidor de la misma. En este sistema circula un aceite lubricante ligero destilado o agua para enfriar el sello al mismo tiempo que los lubrica. Consúltese al fabricante de sellos para el arreglo correcto. Otro sistema de enfriamiento común, usa collarines con núcleos centrales a través de los cuales circula el líquido. Se usan también los collarines de núcleo ya sean de carbón o de metal. Éstos son muy efectivos pero hasta la fecha no son muy favorecidos. Deflexión de la Flecha. Antes de elegir una bomba centrífuga es conveniente comprobar la deflexión que se espera y la velocidad crítica inicial aproximada. La Fig. 9-5 muestra una gráfica típica suministrada por el fabricante de la bomba para permitir el cálculo de deflexión y velocidad. Ejemplo: ¿Cuáles son la deflexión de la flecha y velocidad crítica inicial aproximada para una bomba si el peso combinado de sus impulsores es 10.5 kg y se aplica n los datos de la Fig. 9-5? Solución: Se entra a la Fig. 9-5 a la izquierda con peso combinado de 10.5 kg y se proyecta hac ia la derecha a intersectar la curva de deflexión como 0.023 mm a velocidad plena. Se proyecta verticalmente hacia arriba de la curva de deflexión por peso hasta c ruzar la curva de velocidad crítica. A la derecha se lee la velocidad crítica inicial a proximada como 6200 rpm. Nótese que esta gráfica es adecuada sólo para una bomba en particular. La gráfica para una bomba en una aplicación dada debe obtenerse siemp re del fabricante.
Capacidades Típicas. La Fig. 9-6 muestra las regiones de capacidad y presión obtenibles con dos grupos de bombas centrífugas horizontales de un fabricante. Para bombeo de volumen, se tienen 19 tamaüos diferentes de la unidad de doble
I
S ELECCIÓN
DE'
BOMBAS
299
succión de un solo paso B que dan capacidades hasta 404 lps, y columnas hasta 85.3 m. Para presiones más altas, hay cinco tamaños de la bomba de dos pasos A que nos da columpas hasta de 305 m y capacidades hasta 75.7 lps.
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Deflexión de la flecha y velocidad crítica. (Cortesía de Goulds Pumps, lne.)
La Fig. 9-7 muestra las regiones de capacidad para los tres modelos de una marca de bomba rotatoria. Las regiones típicas para columna y capacidad de las bombas de turbina regenerativas de 1 750 rpm se muestran en la Fig. 9-8. La Tabla 9-2 muestra las recomendaciones de un fabricante para selección de álabes en bombas :.'otatorias. Las capacidades típicas de las bombas de émbolo de acción directa horiz':mtales duplex están da das en la Tabla 9-3. Aun cuando estos datos sobre columna y capacidad de las bombas son específicas, dan una idea sobre algunas de las regiones de que se puede disponer. Para mayor información sobre las muchas otras bombas de que se dispone así como sus col umnas y capacidades, consúltense uno o más fabricantes. Véanse las Normas del Instituto de Hidráulica, para más reco.mendaciones sobre normalización de bombas. índices de Diseño. Aquí hay numerosos índices misceláneos útiles para especificar y comprar bombas de todos tipos: Líquidos Volátiles: Puede evitarse la ignición en la línea de succión de la bomba introduciendo. un líquido frío de una fuente auxiliar. El control del flujo del líquido puede ser ma-
SELECCIÓN
300
BOM:BAS -
su
SELECCIÓN
y
DE 2
I
APLICACIÓN
BOMBAS 4
301 (;
6
8
9
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A-Carncterísticas combinadas de 5 tamaños de bombas Goulds. Fig . :3305 B-Carar:te risLicas combinadas de 19 tama¡1os de bombas Gould. l'ig . 3405
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F1G. 9-8. H egiones de columna y capacidad para bombas de t.urbinas l'egE' n erativas de 1 750 rpm . (Cortesía. de Aurora Pump Diuision. Th e Ne w Y orh Air Bra.he Co .)
3000
sooo
4000
6000
Capacid ad . gpm
FIG. 9-6.
Características de operación combinadas de dos bombas centrífugas. (Cortesía de Goulds Pumps. [ne.)
63
31.';
Capacidad gpm
FIG. 9-7 .
R egiones de capacidad para algunas bombas rotatorias. (Co rt esía de W orthin.gton Corp .)
nual O automá tico. Puede llevarse vapor del ojo del impulsor del primer paso al espacio del vapor del receptáculo de succión excepto cuando la bombilla de succión de la bomba está en posición verticaL R eci rcúlese una parte del líquido manejado de. la desca rga de la succión para evitar sobrecalentamiento de la bomba durante períodos de operación en baja capacidad. Cuando el collarín de empaque tiene fugas permitidas para la luhricación de la flecha, compruébese que la cantidad de líquido que se pierde no sea excesivo. Cuando el líquido se inyetca en la caja de empaque, se usa generalmente una homba con empaque externo especialmente para aceite. Hay que asegurarse que este líquido no contamina el material que maneja la bomba. Provéase un regulador de presión al sistema del sellado de la caja de empaque para aliviar unos cuantos kg/cm" arri ba de la presión de la carcasa. Los sellos mecáni cos dobles, que se usan para líquidos problemáticos, requieren también un sistema de sellado del tipo de circulación provisto de una pequeña homba. Consúltese al fabri ca nte de los empaques para conexiones, disposición de enfriamiento y capacidad necesaria. Siempre que sea posible úsese un solo sello en lugar del tipo doble.
BOMBAS - SU SEL~~CCIÓN y APLICACIÓN
302
Tabla 9-2.
Selección Típica de Paletas para Bombas Rotatorias de Paletas Oscilantes. *
Servicio No.
Tipo d e Paleta
Servicio
Material de pale ta
SELECCIÓN
Tabla 9-3.
DE
303
BOMBAS
Capacidades de una Bomba de Émbolo, Horizontal Duplex Típica.
Notas de referenc ia
Servicio de agua fría
Servicio de alim.entación
u presión
:1
Líquidos volá tiles Líquidos no volá tiles y viscosos Líq uido::; vi!:icO SOS
5
Líquidos que con tienen Iidos Pipa (cuJni ól1 t.anque )
2
Li mpiado cm se<:o
~ Cu,.t~s(().
d e IJlcu'hm er Pump
Deslizante no Oscilante De s lizante eOIl pernos de ompuje s6 ·· Oscilante
Metal Metal
y d
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M etal
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Conlpo~ició n
Desl izan te
No. 1 Composicion No. 2
"l'amaño, cm
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M etal
Deslizante
I
(j
eo .
a . El me tal usad o habrá de ser hierro o bronce según la práctica establecida pa ra e l tipo d e líqu ido bombeado. b. Este gru po de líquidos será de 15000 SSU o más cuando la bomba opera a su velocidad completa ; o 7000 SSU o más cuando la bomba ope ra a velocidad reducida. c. Las paletas de composición son satisfactorias para este se rv icio. Cuando hay cambios muy amplios en las características de los líquidos bombeados, puede req ue rirse un cambio en los mate riales d ~ com posición . d. Ocasionalmente se d esea usar una bomba a lte rnadamente para los servicios No. 1. y No. 2, en este caso se recomiendan, paletas deslizantes hasta 5 000 SSU. Arriba de 5000 SSU las paletas oscilantes requi e ren pe rn os de empuje, de otra manera serían necesarias paletas oscilantes.
Las unidades de reserua deben elegirse cuidadosamente si deben manejar más de un líquido. Elíjanse, columna y capacidad para los requisitos más severos. Compruébense los materiales de construcción para asegurar que son los adecuados para todos los líquidos que habrán de manejarse. La cspn disponible debe ser la máxima que se pueda suministrar fácilmente sin aumentar demasiado el costo del sistema. Bombas existentes. Éstas pueden usarse algunas veces para trabajos nuevos en una planta. Para calcular el efecto de las nuevas condiciones sobre la bomba, úsense las reglas dadas antes en este capítulo.
d e caldera
15.24 19.05 22.86 25.40 30.48 30.48 35.56 43.18 .50.80
X X X X X X X X X
8.89 X 15.24 11.43 X 25.40 1~.70 X 25.40 15.24 X 30.48 17.78 X 30.48 19.05 X 38.10 21.59 X 38.10 25.40 X 38.10 30.48 X 38.10
Lps.
Veloeidad de pistón m por min
Lps.
Caldera hp
Velocidad pistón nl por min
3.78 7.82 9.65 14.83 20.19 26.06 33.44 46.56 66.88
18.30 22.87 22.87 24.40 24.40 27.45 .27.45 27.45 27.45
2.27 4.67 5.80 8.89 12.11 15.65 20.06 27.95 40.13
475 975 1210 1860 2530 3270 4190 5830 8390
10.98 13.72 13.72 14.64 16.64 16.47 16.47 16.47 16.47
~I Cortl!Sill de Worthingtofl Corporuti()!I,
Líquidos viscosos . Se manejan más fácilmente en tubos calentados, así como bombas, coladeras y otro equipo. Puede usarse para este objeto vapor, agua caliente o electricidad. Pérdidas de fri-cción las recomendadas para líneas de succión y de descarga varían. En seguida se muestran algunos típicos: líneas de descarga, 0.35 a 1.4 kgjcm" por 100 m para gastos de O a 10 lps .24 a .29 kgjcm" por 100 m para 10 a 32 lps, .'12 a .46 por 100 m para gastos arriba de 32 lps. Para líneas de succión .012 a .23 kg / cm" por 100 m, su tamaño dependerá de la cspn disponible. El efe central d e la bomba se encuentra generalmente a 0.45 a 0.90 m arriba del nivel del piso, dependiendo de la al tura de la cimentación y del tamaño de la bomba. Las olertas d e bombas deben contener seis copias de las curvas de características de la bomba, seis copias de un plano de sección transversal de la bomba, seis del plano de la bomba misma, datos de sellos mecánicos (si se usan), y datos completos de las bridas. La velocidad crítica de la flecha de la bomba deberá ser por lo menos 20 por ciento arriba o 30 por ciento abajo de la velocidad máxima de operación de la bomba.
304
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APrJICACIÓN
Baleros: éstos se usan para flechas de bombas y deben tener una vida mínima de servicio de por lo menos 10 000 h1'. Conexiones auxiliares para bombas centrífugas. Deberán ser de 9 mm o mayores, excepto purgas, y drenajes que pueden ser de 13 mm. La placa base debe tener un anillo de drenaje, sumideros para drenaje, agujeros para pernos de anclaje y agujeros de sedimento. Los collarines para bombas que manejan líquidos inflamables deberán ser de material a prueba de chispas o revestidos interiormente con este tipo de material. Los sistemas de empapado de aceite para sellos mecánicos deberán tener una coladera, manómetro y termómetro. Placa de características .Y flecha de rotación: deben suministrarse con la bomba . La placa debe contener el nombre del fabricante de la bomba, número de serie de la bomba, tamaño y tipo, columna de diseño, capacidad, velocidad y temperatura, y presión de prueba hidroestática. Tubería de la bomba: ésta es más segura cuando se diseña de acuerdo con las reglas ASA para tubería de presión, ASA B31.1.
CAP Í TUL
o 10
ECONOMíA DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO
La evaluación de las consideraciones hidráulicas en un sistema de bombeo para recibir más atención que los diversos factores económicos que son parte inseparable en todo problema de bombeo. Desde el punto de vista del usuario de una bomba, ambos factores son de primordial importancia: Éste desea la presión y capacidad requerida al mínimo costo por litro de líquido bombeado. Una vez que se ha elegido un tipo y clase adecuados de una bomba para una aplicación dada, el ingeniero se encuentra con que debe tomar todavía varias decisiones. Éstas se relacionan con el costo inicial de la bomba y su motor, costos de instalación y operación, vida .estimada de la unidad, su costo probable de mantenimiento, el "costo" del dinero invertido en la bomba, la recuperación óe la inversión y el valor posible de salvamento, si existe, qe la bomba y su motor. Muchos de estos factores están cubiertos en términos generales en textos de economía de ingeniería. Sin embargo, su aplicación a los problemas de bombeo no se puede cubrir con demasiado detalle en la mayor parte de los textos de economía de ingeniería debido a que deben discutirse tantos conceptos básicos. En este libro, los conceptos básicos se tocaron sólo ligeramente, haciendo mayor énfasis sobre el uso de los análisis económicos en los problemas de bombeo prácticos. COMPARACIóN DE DIFERENTES SOLUCIONES Si bien no todas las instalaciones de bombeo pueden L1sar más de una clase de instalación para manejar el líquido, muchas sí pueden hacerlo. Como resultado, frecuentemente es posible y necesario el considerar más de una clase o tipo de bomba, disposición de tubería y motor. El objetivo que se persigue en cualquier comparación de este tipo es asegurarse
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ECONOMÍA DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
el mínimo costo anual por litro de líquido bombeado, tomando en consideración todos los demás factores, como confiabilidad, facilidad del mantenimiento y reparaCIón, y flexibilidad . A veces los factores llamados intangibles pueden alterar ' la balanza de las unidades que dan el costo anual más bajo en favor de las que lo arrojan mayor. La evaluación de los intangibles puede discutirse solamente en términos generales, ya que cada instalaeión tiene sus características peculiares que solamente se pueden juzgar ¡por la experiencia. Muchos de éstos se discuten en los siguientes ejemplos. Ejemplo: Se han propuesto dos diagramas (Fig. 10-1) para dotar de agua una planta industrial. El diagrama A usa dos bombas tur· binas verticales en paralelo y que descargan en tuberías existentes de asbesto cemento de 15.2 cm. Se habrá de usar motor eléctrico o diesel para ambas bombas. El diagrama B (Fig. 10-1) tiene cuatro bombas. en dos pasos. En cada diagrama. todas las bombas operan continua· mente durante el día. cuando la planta requiere 22.7 lps de agua. En la noche. solamente la mitad de las bombas instaladas operan su· ministrando alrededor de 11.3 lps a la planta. ¿Cuál diagrama es me· jor? ¿C uáles son las pérdidas de la tubería durante el flujo máximo cuando sólo opera una bomba'? ¿Qué equipo auxiliar habrá de ins· talarse'? Elevación
Motor
211
m
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Nivel do la \ corriente 166 al /
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Dimetro interno real 532
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Elevación 204 m Elevación Bombas de transferencia 206 111
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1. 707 tn Elevación ' '. -=-::=::.:
Elevación 189 m
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FrG. 10-1.
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LagO de la fábrica
DIAGRAMA A
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Elev~ aCión ro
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Tubo de asbesto·cemento de 15 cm
211 m
1
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Lagu de la fabrica
Diagramas de bombeo propuestos.
Solución: Puesto que el tubo de alimentación entre las bombas y la planta existe ya. no es necesario hacer una comparación de las pérdidas en las líneas para varios tamailos. Sin embargo. si el tamaño del tubo no estuviera ya fijo . habrían de seleccionarse varios tamaños a na lizando las pérd idas en cada uno de ellos para determinar el mejor para la instalación. El segundo ejemplo en este capítulo contiene una solución que abarca varios tamailos de tubo y los métodos que se
usan y pueden aplicarse aquí si se considerara que el tubo no estu vie ra ya determinado. 1. Con líneas tan largas (Fig. 10-1) debe estudiarse el fenómeno de a riete. para ver que el tubo sea adecuado para las presiones de 'choque que pueden prE:sentarse. Ver. Capítulo 7 para la discusión ele ariete. En algunas plantas la clase de tipo necesario para aguantar las presio· nes de choques del ariete es mucho más pesada que para la presión de operación normal. Pueden ser necesarios supresores de im pulsos u otro equipo. 2. Aun cuando la clase de tubo esté fija. vale la pena notar que una línea de 1 189 m de larga de una elevación de 211 m al lago de la fábrica (Fig. 10.1) puede ser de material más ligero que para la de 2896 m entre las bombas y el punto más alto. Esto es debido a que el agua circula libremente d el punto alto al lago y su presión es menor que en cualquier punto del tramo ele 2896 m. Puesto que ha y una caída de 5 m (= 211 - 206) entre el punto más alto y el lago, puede ser deseable el que la fricción del tubo sea la suficiente para que la línea esté llena de agua con todos los gastos previsibles. Igual· mente. debe existir una presión positiva ligera a la elevación de 211 m o sea el punto más alto. Esta presión se necesita para eliminar el a ire del tubo en el punto más alto. Desde el punto de vista de fricción. una velocidad económica no debe ser tan grande que barra el aire de la tubería. El equipo de evacua ción automático. no es aconsejable en este punto de la línea debido a que complicaría la instalación. En su lugar. habría que considerar válvulas de alivio o de purga aut om á tica que sl~rían más baratos y más económicas. 3. Con la línea llena de agua y sin gasto. el vacío máximo que po· dría existir a una p.levación de 211 m es de 5 m de agua. ta distancia vertical entre el punto más alto y el lago. El tubo de asbesto cemento o se afecta cuando se sujeta a este vacío. Algunos tipos y clases de ubo pueden chuparse cuando trabajan en vac.lo; de tal manera que eben estudiarse todas las condiciones antes de instalar la línea . Hay la posibilidad en esta instalación de separar la columna de a gua en el j)unto más alto cuando se para una bomba o cuando falla la alimen· lación de potencia. De tal manera que se necesita 1án seguros de vacío i 10 20 30 j ; (tipo automático) para admi· tir ai re cuando la presión de [.8 40 L..L_LT la línea desciende de la ato <1 B ··1 i lps
1°
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datos de los Capítulos 4 y 6. Trácense curvas de estas pér· didas (Fjg. 10-2). 5. Se proponen dos bom· bas de 11.4 lps, para operar
O
100
200 300
400
500
600
gpm
Fra . 10· 2. Pérdida de fricción en tu· berías. (Cortesía de Worthingloll Corp.).
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
308
contra la columna resulta nte d e un gast.o de 22. 7 Ip5. Conforme la capacidad desarrollada a t ravés de cualqui e r tubo es aquella a la que la .'c olum na del sistema C"- igual a la desarrollada po r la o las bombas, el operar una sola bomba da solamente 11.3 lps si la columna es toda estática. P ero puest.o que la columna d e este s istema es pa r te est.ática y parte fricción , la ope raci ón de una sola bomba da capacidad aum entada y columna reducida (punt.o A , Fig. 10-3). La capacidad en el Columna punto A depende de la forma contra de la curva liQ de la bomba ,/ ClIpacidad 1 . I --.....~ ____ /" en el sistema y la curva d e columna e el SlS~~-, '- - -'--if'~(~ ~~jel~) tema . Si la co lumna e1 el s ist.e'O~.. ma es principalmente es tática 01 ~ ~-'" 'A ;; 1 Y con poca fr icción, la colum<1 '¡:j-- S : / 1 / ~ &8.& '.,< : Capacidad de na en A es un poco m enor 8 8~:: ",.-: Columna ' columna que la correspont~iente a ope_ / : cnnt.ra :(~ bombas en ración de d os bombas. mien-
' ;/ :
.
! capacidad "'. paralelo)
.
Ca~cldad ¡del sislema'2 X capacidad nominal tras que la capac1dad es un
(F~lb)'
=
poco ma yo r qu e el. valor nominal. Capacidad e SlB ema Con una compo nente de .FrG. 10-3. Curvas características. fricción alta, como la F'ig. 103 y segú n lo seriala el primer (Cortesía de Worthington Corp.) diagrama, la columna en A es con siderablemE}nte menor qu e la nominal y la capacidad es considerablemente mayor. Si la mayo r parte del bombeo se hace co n una sola bomba, es deseabl e una bomba que tenga su m ejor efi ciencia en A. Esto no puede obtenerse con una bomba centrífuga a m e nos qu e sea acept.able un di seño que dé un a capacid ad cerca na a la ob tenibl e cdn 0])0r
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de una bomba
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ECONOMIA DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO
309
En segunda ha y que 'investigar las condiciones de succión de las r.ombas de t.ransferencia en el diagrama B. Esto se hace para asegurar de que el diagrama no tiene condiciones de succión imposibles, debidos a pérdidas de fricción en la línea de 610 m del tanque de reserva a las bombas de transferencia. Las pérdidas con flujo de 22.7 Ips son 610 (20) 1 1000 = 12.2 m, con datos de la Fig. 10-2. La columna de succión estática es de 15 m , de manera que habrá 2.8 m de colu mna d e succión positiva en la entrada de la estació n. Así , que con algo de fricción en la tube ría d e succ ión a las bombas individuales ex istiría una columna d e succión positiva. No se present.an co ndi cion es de succión adversas. 7. La elevación estática en el diagrama es de 40.8 m longitud de tubería 4080 m . El diagrama B tiene la misma elevación est.á t.ica en (lOS pasos y 4694 m de tubo. Inmediatamente se ve q u e el diagrama B usa 610 m má s d e tubo, desde luego parece que el diagrama A es me jo!' , puesto que ahorra 610 m de tubo, una segunda estación de bombeo con su línea ele transmisión y el costo del tanqu e el e reserva. Pero el diagrama B tiene las siguie ntes vent.ajas: (1) si el t.anque de reserva tiene suficiente capacidad, las bombas para la estación de alimentación pueden elegirse para co nsumo prom~dio diario o semanal y operar casi 24 horas por día 5 o 7 días de la semana . (2) No se necesita movimiento diesel de reserva si el tanque es lo bastante grande debido a que se puede tomar agua de allí en casos en qu e la en er gía falle. El costo del equipo es m ás bajo. (3) La pres ión en la tubería ce rca de la estació n de alimentación es mucho m ás baja en el diagrama B que en el A, permitiendo el u so de tubo más ligero y menos costoso. (4) Como las columnas son m enores, las bombas elegidas pueden se \' un tipo más eficiente. En vista de los hechos seña lados es aconsejable el investiga r los m éritos relativos y costos netos d e ope ra ción de t.es de decidirse a usar uno 10 de ellos. Las bombas de tur600 f--'-,--...!.I--,,- '--'-!--'-rbinas vertica les se conside 500 rarán para el diagrama A mient.ras que para el B se . ~ 400 estudiarán bombas cent.rí fu-
ª
gas horizontales. Un análisis apropiado inclu ye el es8] 300 tudio d e ambos t.ipos para ambos diagramas. Así tam 200 bién , cualquier ot. ro eq uipo de bombeo posible. 10 0 f--+---V-;;:"---=~O::; 8. Basándose en los valo· res de fricción de la Fig. O "",,,"---'-~-"-~_-'-____-'--"---' 10-2 y una columna es tática O 100 200 300 400 500 de 40.8 m. la columna del F¡r.. 10.4. P é rdidas de co lumna p a ra sistema , menos las p érdid as dos casos. (Cortesía de Worthingtoll de tube ría d e la est.ac ión paCo/'p). ra el diagrama A aparecen en la Fig. 10-4. La columna del s istema para la pr imera estac ión . ()
310
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y AP LICACIÓN
sea la de a limentación en el diagrama B se muestra también en la Fig. 10-4, así como la columna de la estación de transferencia. 9. A falta de información sobre la tubería y vá lvulas que se necesiten en la estación, supónganse pérdidas de tubería de 2.8 m para las bombas del tipo ve r tica l y 3.35 para las centrífugas. Estas pérdidas pueden ser mayores que en la planta real pero servirán para mostrar cómo >le resuelve el problema . P uesto que el factor de carga afecta la elección Ips W 10 I I I I 1 I 1 .1 500 1 .1 I - -(..'?' Colwnna total 1'400 r-- capacidad 12o !::l.. 70 V ~ J V 30 60 - 300 90 ficiencia -; 25 ~ 50 .... l' ~ 20 40 ~200 - 60 el ..---" VHp a l freno "Curva de columna .c 15 . ~ 30 ~ del sistem a a:J ;:: (1 bomba opero.ndo) 10 ¡.¡ 20 100 30 J I I 5 10
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Características de bomba y sistema . (Cortesía de WOI'thington Corp.).
del equipo de bombeo , es necesario suponer ciertos gastos. Con una de manda en 5 días de 10 horas con 22.7 lps, el gasto es aprox imadament.e :.¡ 780 m '. Con 5 días de 14 horas COIl demanda nocturna de 11.3 lps más 24 horas de demanda a este gasto en sábado y domingo, el flujo to tal es aproximadamente de 4720 m :J • E l flujo tota l semanal es de 8500 J
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312
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
m 3 , O sea un p romedio de 14.1 Ips . E l co nsumo promed io por día de trabajo es de 16.1 lps. El equipo de bombeo adecuado pa ra el diagrama A con t ubo de 132 mm DI incluyen: (1) Dos bombas de turbina verticales con una columna tota l de 125 m , de 11.3 Ips, para ma nejar 4720 m" semanales con la operac ión de u na bom ba. (2) Dos bombas centrífu gas con una colum na total de 125.6 m a 11.3 lps seleccionadas igual que en ( 1). Igua l que antes, la operació n de una sola bomba da más de 11 .3 lps de capacidad. (3) Una bomba de t urbina vertical con columna total de 125 m para 22.7 Ips para operación diu rna y una bom ba de tu rbina vertíO
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Características de bombas. (Cort esía de Worth.inglOIl Corp.)
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314
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Tabla 10-3.
Clase
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h
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Identificación de Bomba en las Tablas 10-1 y 10-2 D esc ri pción
Curva N "
Fig. 10-5 Turbina vertical 1 770 rpm 15 pasos. Cen t rífu ga horizontal carcasa dividida de 3500 Fig. 10-6 rpm , d os pasos. Turbina vertical 3 500 rpm, 9 pasos. Turbin a vertical 3500 rpm , 4 pasos. Centrífu ga h orizo n ta l carcasa dividida 3 500 rpm , un paso. Centrífu ga h orizontal carcasa dividida 3500 rpm , un paso. Ce ntrífuga horizontal carcasa d ividida 3500 rpm , Fig. 10-7 un paso. Fig. 10·8 Bombas turbinas verticales 1 770 rpm , 8 pasos. Centrífuga hori zontal carcasa dividida 3500 rpm , un paso. Centrífuga h u rizontal ca rc asa div idida 1 770 rpm. un paso. Centrífu ga horiz ontal carcasa dividida 3 500 rpm . un paso. Turbina ve r tical d e 1 770 rpm , 7 pasos. Cent rífuga h orizontal carcasa dividida 3500 rpm. un paso.
Precios de bOlnhas·turbina vert icales, Tablas 10·1 y 10- 2, hasadas en una long itud aproximada de 60 cm.
ca l con una columna total de 65.8 m y 11.3 Ips para operación nocturna y fin de semana. (4) Una bomba ce ntrífu ga con una columna total de 125.6 m )' 22.7 Ips y una de 66.4 de columna total y 11 .3 Ips. (5) Dos bumbas de turbina vert icales con columna tota l d e 65.8 m 11.3 Ips con una bomba auxiliar centrífuga con columna total de 61 m y 22.7 Ips co nectada de manera que cualqu iera de las bombas de turbina pueda opera r so la dando 11.4 Ips o ambas pueden operar en paralelo y descargar a l a uxiliar , da n do 22.7 Ips. Las p érdid as de culumna en las válv ulas y tuberías elel aux iliar serán de 1.8 m. (6) D os bombas centríf ugas con co lumna tota l de 66.4 m y 11.3 lps ti ene una auxi li ar ele 22.7 Ip5. Si se · pide n recomendaciunes a diferentes fabri ca ntes de bombas , és tas difer irá n cons ide ra blE'men te. Las bombas listad as en la Tabla LO -] representan unidad es cu nstr uid as por un fabrican te. JO. La Fig. 10-5 muestra las ca racte ríst icas de una bomba d e tur bina vertical a propiada para la recomendación (1) anterio r. El gasto es d e 15.9 Ips con operación d e una bomba . Cuando la demanda es de ~ó l o 11. ~:l Ips , la bomba se arranca y para de man e ra que se mant enga el nivel de agua d e la fábri ca d entro ele los lími tes d eseados. La bomba ope ra alrededor del 70 jJor ciento de l tiempo. La Fig. 10-6 mu es t.ra las ca ra cte rís ticas de una bomba centrífuga q ue da 17.5 Ips con UPE'-
ECONOMÍA DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO
315
raClO n de una bomba. Opera a l rededo r del 65 por ciento del tiempo cuando se n ecesitan 11.3 Ips. 11. Los resultadc ,; obtenidos con los diversos planos para el diag ra ma A t~s tán compe ndiados en la Tabla 10-1. Los motores son unid ades d e 220/440 volts, 3 fa ses, 60 hz. Los costos de en e rgía están basados en u n precio de 15 centavos por kilowatt hora. El p lan A3 es el más bajo y se toma como base para establecer J::¡s diferencias en la col um na (14). Suponiendo que la capita li zación representa un 15 por ciento, el costo extra de energía está calc ulado y tabulad o e n la columna (15 ) . Esta cant.idad se agrega a l costo inicial en todos los p lanes excepto en el A3. Aun cuando la importancia d el equipo de bombeo de reserva no está señalada en el problema, sus costos están calc ulados en la columna (18) s u poniendo un gast.o de 22.7 Ips con una bomba en la estación q ue esté fue,'a de servicio. S umando las cantidades en las colum nas (15) Y (18) mu es tran que el plan A4 es el mejor, si las suposiciones anteriores so"n correctas. No se conside ran las dife rencias en costos de la estación e insta lación. És tas de ben natura lmente considerarse antes de que se t.ome una decisión final. El plan A3 no tiene tubería de succión debido a que se usan bombas de turbina vertica les. El a h or ro en costos de tubería y estación pueden hacer a l plan A3 más conveniente. Si el costo de la energía e~ más a lto , la ele¡:ción puede inclinarse hacia A3, y en caso contrario hacia A4. E l plan Al, tal cuma se propuso origin a lmente es el quinto consecutivo en costo in icial, basado en las s uposiones anteriores. 12. Se h ace un estudio similar para el diagrama B, considerando las bombas tanto para las es taciones de alimentación y a uxiliar. Puesto que la estación aux iliar tiene una columna de succión positiva, solamente se estud ian bombas centrífugas. La col umna es principalmente fricción; así qu e, con operación adicional de una bomba , la col um na se rá mucho m en or que la requerida y la elección lógica es una bomba d e 22.7 lps, para el trabajo diurno y una 11.35 para nocturno. L a operación en para lelo de las bombas de 11.35 Ips para dar 22.7 Ips a rroja los resultados Bl y B2 en la Tabla 10-2. Los planes B3 y B4 suponen que e l tanque d e reserva tiene la capacidad suficien.e para pe rmitir uombeo constante co n un gasto de 16.4 Ips. Usando el c~ns umo de potencia d el plan A3 como base, se encuentra que el cos to d e los 4 p lanes para el diagrama B son considerable¡m ente m ayo res que A4, pues t.o que el diagrama B usa más tubería, un ¡tanque d o reserva y una seg unda estación, es obvio que el costo es m ás lalto que los planps A3 y A4 . El diagrama B puede ya eliminarse de !cualquier cons ideHlción posterior. : Eote a núlis is s upone que e l lago d e la fá brica es relativamente p e"qu eño y que tiene un a capacidad limitada, Si la c~pacidad o la varia·:r:ión de niv el permite ubtener 283 .5 m ", el m ejor plan puede ser E'I diagrama A con bombas d e 16.4 Ips trabajando a gasto constante prácticamente 24 horas. La bumba centrífuga para este diagrama modificado A se ría una unidad de un solo paso 3500 rpm con una columna nominal d E) 89 m. El costo de e nergía anua l es de 2700 dólares. E l costo d e las dos llnid ades con motort's es de a lrededor de 1490 dó lares. E l cos to adiciona l d el movimil'nto diesel de rese rva variará con la ca-
316
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
pacidad requerida . Se usarán máquinas de co mbustión interna de 20 hp en el plan Al, si se requieren 22.7 IrIS. En el plan A3, con una sola bomba de rese rva de 22.7 lps se necesita un motor diesel de 50 hp. En ambos casos, el motor usará engranes para acoplarse.
}JCONOMÍA DE LOS SISTEMAS üE BOMBEO
nar el tamaño de tubería más deseable para una combinación dada de condiciones. Los factores de corrección permiten ajustes en el costo del vapor y potencia eléctrica, consumo de vapor en el movimiento por turbina, tiempos extraordinar.ios y
ESTIMACION PRELIMINAR DE COSTO
60
.-eBª
El problema anterior es taba basado en datos de costos suministrados por uno o más fabricantes de bombas, Como resultado, puede tomarse una decisión firme sobre las bases de los resultados obtenidos. Sin embargo, en muchos casos no se tienen datos exactos de costos. Para obtener esta información básica, se presentan dos métodos * para determinar el tamaño 0.2
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Eficie ncia de bomhas centrifu gas. (Cortesía. de Foster Wheel er Corp.).
económico de tubería en una planta que use diferentes tipos de bombas. Estos métodos pueden aplicarse a cualquier planta, particularmente en industrias de proceso, En el primer método, se usa n datos de costos y servicios promedios, presentados en gráficas y tablas en este Capítulo, para prepa rar un análisis económi co individual de ca da tipo de bomba y ta mai10 de tubo considerado. Las tabu laciones de velocidades económicas del líquido, que también se presentan en este Capítulo se usan en el segu ndo método para determi'" Basado en R. M. Braca, F est.er Wheeler Corp., y J ohn Happel. New York Universit,y, New Cost Data Bring Economic Pipe Sizing Up to Date, Chemica.L Engineering, e nero, 1953.
Eficiencias de turbinas de vapor de un solo paso . ( Co rtetesía de Foster Wheel er Co rp.).
columna diferencial de presión en la bomba. Aun cuando estos métodos se usan básicamente para tubería de descarga de la bomba, pueden usarse también para la tubería de succión, excepto cuando el flujo se produce por gravedad o columna diferencial. Entonces la línea debe dimensionarsc sobre la base de la cspn, Los efectos de la erosión y vibración de la tubería no se han considerado. Sj elledor desea resolver muchos problemas usando los métodos. dados aquí, debe referirse al artículo original para discusión completa de la teoría y de las derivaciones de las ecuaciones usadas.
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Eficiencias tota les de bombas con sus movimie ntos. (Cortesía de Fost er Whe eler Corp.).
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Consumo de electricidad para bombas movidas por m otor eléctr ico . (Cortesía ele Post er W h eeler Corp.).
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Rendimiento de la bomba en h p hidrulicos
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COIlwmo de vapor en bombas movidas por vapor. (Cortesía de Puster W Iteeler Corp.).
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Hendimiento de la bomba en hp hidráulicos
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ECONOMÍA DE LOS SISTEMAS PE BQMBEO
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Costo de equipo de bombeo. (Cortesía de Foster Wh eeler Corp.) .
Ejem plo: Una bomba de carga en una refinería y s u reserva ma neja n 181400 kg por hora d e combust ible AP I de 27.5 °. La longitud del tramo d e tubería entre la bomba y la unid a d de "cracking" que ~ irvc es d e J 2l m , hay trece vá lvu las ASA de 21 kg en este tramo. Los ca mbiadores de ca lor y una vá lvu la de control causan una pérdida de presión de 7.4 kg/c m ". La co lumna diferenc ia l en la bomba , excluyendo la fri cción de la tubería. es d e 19 kg/cm" . Son sa tisfactorios los acceso ri os y la tubería d e peso normaL co n los prime ros 38 m no ais ·
320
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
lad os, los s igu ientes 23 co n aislamiento d e 132-177C y los últimos 61 co n a islamiento d e 204 -260 °C. La temperatura m ed ia d el combustible es d e 149 °C , la d e nsidad 0.8 y la viscos idad 2.0 ce ntipoises en esta t emp(! ratura. A 1.49 °C, flu ye n 63. 7 l ps d e "gas-oil ", mientras que a 38 ' C el gasto es d e .'í8 lps . Calcúlese el tamaño de tubería eco nómica para un tiempo de operación de dos años para: (Caso A) bombas cent rífu gas movidas por t.u rbin as d e vapo r a 3600 rpm cuand o el vapo r c uesta 1. 65 dólares por 1. 000 kg y el vapor d e descarga vale 0.22 por lOOO k, las condiciones de vapo r so n 10.5 kg/ c m ~ y 232 °C en la e ntrada, 1.4 kg/cm 2 en la salida , para el cual el gasto d e va por ideal es de 9 kg por hp -hr. (Caso B) B ombas ce ntrífu gas mov idas p o r mot.or eléct rico cua nd o el cost.o de la electricidad es de 0.008 po r kilowatt-hora. Solución: Co n un gas to de 63.7 lps, proba bl em ente será satisfa ctorio un t.a maño d e tubo q ue se encuentre ent.r e 102 y 254 mm . Los cálc u.! os para reso lve r este problem a po r el prime r m étodo está n detallados en la Tabla 10-9 y la Fig. 10-24. '" E~stos so n fác iles d e seguir .Y se dan Jos pasos en el mi smo o rd e n que 10 señala la Tabl a 10-9. La in versió n tota l req u erida mu es tra q ue se n ;qu e rirá una lí·n ea d e 20.3 cm co n una bomba ce ntrífuga movida por turh ina d e vapor y un t.ama ño de 15.2 cm en la línea co n una bomba ce ntrífu ga m ov ida p o r motor. E n cualquier caso , una línea d e 1.5.2 cm s ignifica una inversión inicial más baja, de 3 500 dólares, pero co n una bom ba m ovida por t urbina el cost.o a nu a l del vapor sería 3500 d óla res m ás alto para la tubería de 1.5.2 cm qu e para la d e 20.3. Con ce ntrífu ga, movida por m oto r eléc t ri co, la línea de 15.2 au m e nta el cos to a nu a l ele elect ri cid ad solam ente en 400 dólares sobre el costo de una línea ele 20.3 cm. Esimportanl.e n otar que para 15. 2 cm , el cost.o del va p o r para la bomba movida por turbin a es 54600 dólares cont ra sólo 10180 dóla res d e costo para electricida d co n la bomba d e m oto r. El costo d e la inve rs ió n de la bomba co n m otor eléctrico es de 24493 dó lares, comparado co n 19493 para la uni dad movida por turbina. Para usar el seg und o m étod o, se eli gen las velocidad es económ icas de las Tahlas 10-7 y 10-8. Estas se corri gen sp.g ún se d etall a e n seguida pa ra cada caso. Ca.so A: La veloc idad económica d e la Tabla 10-7 para un a densida d d e 0.8 es: 15.2 cm, 2.23 m por seg tuho d e 20.3 cm , 2.32 m p o r se¡:;. E l factor d e correcció n para el costo df'1 vapor a 2.95 d ó l ar~s p.or JODO kg es 0.9 d e J, F ig. 10- ] 9; para el co n sum o id eal. de 1.0 .. de la Fi g. :10-20; para u n I. ic:'mpo d e recupe rac ió n d e dos años. J .O. d e la ·F ig. JO.22. Pa ra la co lumn a d ife re nc ia l d{~ la bomha. 1.06. d e la F ig. 10-23. Para co rregir por el li SO de l tubo cxt rap esado. a islado . co n vá lvu las ASA d e 21 kg .v a islami ent.o de 204 -260 "C e n IlI gar ele t ubo d e peso n orm a l no a islado, se usa un factor de J.17 para u la bomba m ovida por tu rb ina, o 1.19 para unid ad mov ida pOr motor . P e ro pu esto que la tube rí a aqu í só lo es tá ·a islada pa rcia lme nte y t ie ne Vií lvu las ASA de E n la Fig. 10-24 , la curva A 1 se refie re a la in ve rsión d el caso A ; A2 a .! costo an u a l de l vapor, A3 n los cosl.os tota les a nu al es, y de ope ra ció n. Las cu rvas Bl. B2 y B 3 so n los va lo res co rrespo ndi ent es para e l ca so B.
321
ECONOMÍA DE LOS SISTEMAS DE BOMB.E O
Tabla 10-4. Costo de la Tubería y Accesorios (Base: Fabricado de bridas y soldado, erigido en su lu ga r , exp resado en dólares por 100 m d e tubo) Diám. nominal en cm.
5.08 7 .62 10.16 15.24 20.32 25.40 30.48
normal
Extra pesado
$ 731 1187 1666 2563 3788 5405 6970
$ 895 1469 2040 3237 1753 G 540 8374
Peso
Tabla 10-5. Costo de Válvulas de Compuerta. (Base : Acero al carbÓn fundido , ASA RF , con bridas, OS y Y)
Diám. nominal 10 kg/cm 2 en cm
5.08 7.1': 2 10.16 15.24 20.32 25.40 30.48
27 kg/cm 2
$102 135 175 311 458 639 861
$ 74 92 128 201 278 377 505
kg , se usará un factor de 1.10. La velocidad econémica co rregida encue ntra aplicando todos los factores de co rrecció n ante rior es a velocidades obtenidas de las T ablas 10-7 Y 10-8. Para la tubería 15.2 cm, la velocidad eco nómi ca (2.23) (0 .90) (1.06) (1.10) = 2.35 m . por seg, tubería de 20 .3 cm , (2.32) (0.90) (1.06) = 2.44 m por seg. La T abla 10-9 muestr a que una línea de 15.2 cm con una velocidad econ ómica de 2.35 m no puede m a n eja r los 6.37 Ips r eq ueridos, mientras que una línea de 20.3 cm es más que adecuada . Caso B : Usando los mismos pasos anteriores , se encu entra qu e la línea de 15.2 cm es adecuada. En ambos casos, la selección de tubería
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Costo de Aislamiento d e la Tube ria
(BasE': Costo por 100 m e tros d e tubo recto instalado. Para determinar un costo aproximado del aislamiento de vá lvul as y acct'so ri os. así como d e tubo recto, multiplíquense los' valores por 1.35. M significa 85% de magnesia. S sign ifica Superex o aislamiento E' n bloques para a ltas tempe raturas: el número qu e sigue indica el espeso r e n mm .)
Diá m . nominal del tuho, c m
Re gión de T e mp C
93- 132
132- 177
177-204
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M25, $370
M25 , $370
M38, $449
7.62 10.16
M25. $407 M29, $443
M25 , $407 M29, $443
M3S, $498 M38, $538
15.24
M29, M32, M32, M38,
M38, M 38, M38, M 50 ,
20.32 25.40 30.48
$518 $626 $745 $991
$676 $764 $899 $ 1410
204-260
260-316
M50, $512 M50, $594
M 50, $512 M50, $594
M 50, $708
M50, $708
M50. $876 M 50. $1046
M50, $876 M63, $1325
M 50, $1243 M63, $1755
M63. $ 1 571
M63. $ 1758 M63, $ 1 325 M63 , $1571
M76. $1988
M76, $ 1988
316-371
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+ M38, $948 538 + M50, $ 1 168 + M38, $1073 S38 + M50, $1273 S38 + M38, $1 269 S38 + M50, $1502 S38 + M50, $1 561 S38 + M63, $1860 S38 + M50, $1824 I S38 + M63, $2 165 S38 + M50 , $20531 S38 + M63. $2811 S38 + 1\150, $2 316 S38 + M63. $3 257 S38 538
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324
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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ECONOMÍA DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO
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FIG. 10-19. Factores de corrección para variacion es de costo de vapor. (Cor tesía de Fost er Whe eler Corp .) .
FIG. 10-20. Factores de co rrección pa. ra variaciones en gasto ideal de vapor. (Cortesía de Foster Wh eeler Corp.) .
326
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Tabla 10-9. 1.2
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Amortización, afta"
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FIG. 10-22. Factores d e co rrección para variacion es en el tiempo de amor tización. (Cort esía de F oste/' W h ee ler Co rp .).
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Compendio de Cálculos para el Problema Ilustrativo
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102
Diáme tro d e Tube ría Nominal mm
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1.2
327
ECO;:o.¡OMÍA DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO
254
A
Velocidad 63.7 11'5 , m p or seg Pe rdida de fricción ca la tu bería , kg / cm'/lOO m eq Ca íd a de p:'es ión tot a l 0 fri cción en 1" tuber b . kg /cm ' = (121 / 1001 11 0 .073201 Ipunto 21 Columna diferencia l C:l la bomba , kg/cm' Salid a de 1" bem ba, hp hid n\ulicos t pualo ·11 (58), ("¡(jI Cos to de lulK; ri a de p 2S0 normal , uccesorios ITabla 10-4 1 X 121/100 Cos lo de vá lvulas de 21 kg = ITa bla lO- 51 X 13 Costo ' Ie ais lamien to (T abla 10-61 (L/lOO) 11. 351 Ais lamiclto 132- 177"C := IT a bla 10-61 122.5/100 ) 03.51 Aislwniento 204-260·C = ITa bla 10-61160/ 1011) 1UG ) Cos to tota l de tubería ':1 acceso rios de tubería Costo ~nLl~1 de tubería y accesorios 11"':1to 9 ) 10 _06 1/2.01 Costo de dos b;:,m bu'5 centrífugas movidas por lurbina IFig . 10-16) X 2 Cos to an ual de bombas y m ovimientos = 11""110 111 (0.06 1/ 2.0 1 Co:;los anua les fijos Ipunto 101 punlo 12) Consumo de vapar, kg / hr IFig. 10-121 , !!I.9 ) Cos to an ual dE l vapor = Ip u n to 14 ) 18 1501 11. 43/ 1 (00) Cos tos anua les fijos y de ope rac ión = Ipunlo 131 Ipunto 15 ) In vus ión lolal =: Ipan to 9) (punt o 11 1
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1. 98
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328
ECONOMÍA DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
contra el diámetro del tubo. En el pun~o de cruce de las curvas se encuentra el diámetro económico. Nótense los siguientes puntos acerca de estos métodos: En la planta de proceso promedio el costo del aislamiento de tube ría doblada es 1.35 veces la de tubería recta . Aplíquese este factor .a los datos de la Tabla 10-6 de la Fig. 10-17. Ahora , se suponen usados tubos de acero al carbón de peso normal y sus accesorios, con válvulas de 10.5. El aislamiento se supone que opera 8 150 hr por año, para un factor de operación de 83 por ciento. Para mayores datos, véanse las fuentes ori ginales de este material.
hecha por este m étodo concuerda con la del mé todo anterior. El procedimiento más exacto habría sido el de trazar una gráfica con una curva que mostrara la velocidad económica contra el diámetro de la tubería, similar a la de la Fig. 10-18, pero corregida para las condiciones particulares que se aplican ; y otra curva de velocidad requerida 15 a1!os 85%
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MODERNIZACIóN DE INSTALACIONES EXISTENTES
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FIG. 10-25.
Capitalización
Gráfica de capitalización para bombas. (Cortesía de De Laval Sleam Turbine Ca.).
329
Cada vez se considera más el reemplazo de bombas viejas con unidades nuevas y más eficientes, Los últimos avances en el diseño de bombas hacen que frecuentemente la substitución sea un proyecto extremadamente atractivo. Ejemplo: ¿Qu é inversión puede justificarse para una nu eva bomba que opera a 4500 hr por año si se usa 8 hp menos que una unidad vieja y el costo de la energía es de 0.01 dólar por kwh? Solución: Éntrese en la parte inferior de la Fig. 10-25 a 4500 horas por año y proyéctese verticalmente hacia arriba para intersecta r Movimiento por turbina a velocidad va riable
60,000
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FIG. 10-26.
Comparaciones de movimientos d e bombas. (Cortesía de Electrical World).
la curva de ahorro de energía 8 hp. A la izquie rda léase el ahorro anual de 270 dólares _ Proyéctese horizontalment.e a la derecha y léase la inversión justificada para dife rentes períodos y varias tasas de interés. Los resultados son exactos dentro de un 2 por ciento. Si el costo
330
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
de la energía es mayor o menor que 0.0 1 dólar por kwh multiplíqu ese el resultado de la gráfica por la relación del costo real a 1 cv de dólar. Las depreciacio nes usadas varían de una industria a otra. Las instalaciones municipales frec uentemente usan 15 años al 15 por ciento. Las plantas de es taci ones ce ntrales puede n usar 8 a 10 años mientras que las plantas quími cas y refinerías usan de 2 a 4 años. Nótense que f~s tOS períodos pueden o no se r los mismos que los aprobados por las autoridades fis cales para determinar la vida útil del equipo .
Otros Equipos. Es posible hacer análisis económicos similares para otros eq uipos usados con una instalación de bombeo. La Fig. 10-26 muestra una comparación de costos anuales de varios motores para una bomba de alimentación de calderas. Como puede verse, el factor de capacidad al cual opera normalmente la planta, ejerce gran influencia sobre los costos de operación de la bomba. Para trabajos de estimación de costos generales, el lector no debe desaprovechar los índices de costos que publican varias revistas y que son muy útiles. Éstos incluyen the Engineering-News Record Construction Cost Index, the Nelson Refinery Construction Index (Oil and Gas Journal) y otros. Cuando se usan juiciosamente pueden ahorrar mucho tiempo.
TEHCERA PARTE
APLICACIONES DE BOMBAS
CAPÍTULO
11
SERVICIOS PARA PLANTAS DE FUERZA Las plantas de fuerza de vapor, de máquinas de combustión interna e hidráulica usan una o más bombas en su ciclo. De las tres, las plantas de vapor usan mayor número y presentan problemas de aplicación más diversos.
PLANTAS DE FUERZA DE VAPOR Las bombas usadas comúnmente en las plantas de fuerza de vapor incluyen alimentación de caldera, circulación de caldera, condensado, auxiliar de condensado, vacío, pozo de calor, combustible, manejo de cenizas, sellado de collarín, aceite lubricante, aceite de sellado, alimentación de agt"ia, sumidero, circulación y alimentación de productos químicos. La selección cuidadosa es importante debido a que la eficiencia de la planta está directamente afectada por la eficiencia de las bombas. Bombas de Alimentación de Calderas. La Fig. 11-1 muestra los tipos de bombas de alimentación populares en
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11 -1. Region es de operación económicas para bombas de operación de calderas. (Cortesía d e Worthi ngton Corp.)
SERVICIOS PARA PLANTAS DE FUÉRZA
335
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
plantas de presiones bajas y medias. Las regiones que se muestran son generales y no deben co nsiderarse fijas . Las bombas reciprocantes para alimentación en plantas de vapor de baja presión (hasta unos 28 kg/cm') pueden ser horizontales (Fig. 3-1) o unidades verticales de acción directa. Éstas pueden obtenerse en numerosos diseilos, algunos provistos co n receptores de condensado que tienen controles de flotador para arrancar y parar la bomba. Recientemente, las bombas regenerativas de turbina (Figs. 11-2 y 1-17a) han encontrado muchas aplicacicnes para servicio de alimentación en plantas de baja presión. Éstas pueden o no tener receptor, dependiendo di..!
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FIG. II ·:¿. (a) Sist.ema de re torno d e ca ldera con bomba t.urbina d e 2 pasos. (b) Unidad d e ret.orno a l condensado para plantas en qu e las líneas están cerca del suelo. (Cortesía de AlII'ora Pump Di uision, Tite New York Air Brahe Co.)
de los requisito s. Las bomhas centrífugas horizontales de uno o varios pasos, del tipo de voluta (Figs. 1-13, 1-14 Y 19-1) encuentran aplicación en instalaciones de baja presión cuanJo el gasto excede de unos 6 lps. Las plantas de presiones medias, ele 28 a 84 kg/cm' usan bomhas centrífugas elel tipo voluta de varios pasos y carcasa dividida con tres a seis paseE-; (Fig. 11-3). El difusor de pasos múltiples dividido horizontalmente y las bombas de retorno, del tipo de barril y de varios pasos, se usan también en esta regic'm de presiones y hasta unos 112 kg/cm ' . Se emplea un disco () tambor de balance.
( b) ~" ¡": . 11 ·3. (u) Bomba horizontal de carcasa dividida de (-i pasos pura alim E- ntación. :3 GOO rpm. (Cortesía de B Y /'o/l Jo('I!SOI1 Co.) (b) Bomba Jimilar mostra ndo las CO l1PXiOlWS externas t'ntrt' var ios pasos. (Cort esía di' Worthingto/1 Carp . )
336
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
FIG. 11-4.
Bomba de alimentación del tipo de potencia , quintuplex . (Cortesía de Aldrich Pump Co.)
PrG. 11-5.
Bomba de alimentación de alta presión d e 8 pasos del tipo de barril. (Cortesía de Inge rsoll. Rancl Co.)
SERVICIOS PARA PLANTAS DE FUERZA
337
Las bombas reciprocan tes del tipo de potencia (Fig. 11-4) también se usan en servicio de alimentación para plantas de vapor de presienes medias. Éstas comparten el campo de aplicación con las dos anteriores en las presiones' más altas y se usan frecuentement2 para alimentación de sobrecalentadores. Los diseños invertidos de las Figs. 11-4 y 3-7 pueden construirse con dos, tres, cinco o más cilindros. Las bombas de potencia se controlan con facilidad autemáticamente, en forma de línea recta , sin pasos, desde O a 100 por ciento de capacidad nominal. Su uso en servicio de alimentación parece ir en aumento, particularmente en instalaciones marinas. Las plantas de alta presión (84 kg/cm ' para arriba) usan bombas de difusor de varios pases y carcasa dividida hasta unos 112 kg/cm"; los diseños de algunos fabricantes permiten presiones algo mayores. Las bombas reciprocantes de tipo de potencia son populares también en esta región. Más allá de unos 140 kg/cm ~, la bomba centrífuga de varios pasos de tipo barril de doble carcasa (Fig. 11-5) es la elección más común. Arriba de unos 110 kg/cm", el mantener un sello hermético en bombas divididas horizontalmente es frecuentemente un problema. De manera que se aplican bombas de barril del tipo difusor hasta de dece pasos ya que el sellado de sus extremos es algo más fácil. Las presiones desarrolladas por las unidades de este diseño llegan hasta unos 420 kg/cm ' . La temperatura del agua manejada en servicio de alimentación puede ser de 370 °C o aún mayor. La primer planta de superpresión , la Estación Phi lo de la Obio Power Ca., que usa ra dos bombas de este tipo en serie para alimentación de calderas. La bomba de baja presión descarga cerca de 140 kg/cm" a la de alta presión que a su vez desca rga a 387 kg /c m :~. Las tendencias presentes indican qu e otras plantas de su· perpresión usarán bombas de alimentación de alta vebcidad , de 9 a 15000 rpm, debido a que puede desarrollarse ma yor columna por paso con impulsores de diámetros menores. Así, se hará menos uso de las unidades de 3600 rpm (que ahora son normales) en plantas que operan a presiones extremadamente altas. Las bombas del tipo difusor de alta velocidad prcbablemente desarrollen de 35 a 70 kg/cm " por paso, comparado con 21 kg/cm" por paso al presente. En el futuro inmediato, las más populares serán las bombas movidas por motor eléctrico con engranes de aumento para este se rvicio.
338
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
339
SERVICIOS PARA PLANTAS DE F UE RZA
Pero también SE encontrarán aplicaciones de turbinas de vapor y de gas. La operación de velecidad variable predominará debido a que ahorra energía, elimina el regulador del agua de alimentación, reducE el desgaste de la bomba a cargas parciales, y disminuye la presión de la tubería de descarga. La planta futura de alta presión probablemente tendrá bombas de alimentación operadas a velocidades superiores a 3 600 rpm , ya sea a velocidad superior o inferior a la crítica. Las bombas de reserva probablemente se eliminen, ya que la experiencia actual muestra que las bombas del tipo de barril, pueden operar con teda seguridad arriba de unas 100 000 hr ún que necesiten abrirse para inspección o ajuste. Las unida{les movidas por turbina (Fig. 22-1) operan a alta velocidad y desarrollan altas presiones en unos cuantos pasos; encuentran aplicación tanto en plantas estacionarias. como marinas, para alimentaciones de alta presión. Selección de Bombas de Alimentación. Capacidad: Ésta debe basarse en la máxima sobrecarga permisible de la caldera, que puede variar de 110 a 250 por ciento o más y puede cbtenerse del fabricante de la caldera. Con dos bombas de la mitad del tamaño, la suma de sus capacidades debe ser por lo menos igual a la máxima capacidad de vapor de la cald era, con su máxima sobreca rga permitida. Generalmente es permisible el uso de un factor de seguridad de 20 por cient ::> o más para capacidad de la bomba. La columna que des· fl l'l'olle debe ser igual a la presión de la caldera más pérdidas de fricción en el sob recalentador, caldera, economizador, calEntadcres, válvulas y tubería más un 6 por ciento de presión de exceso de manera que la bomba pueda alimentar a la caldere cuando se abre h válvula d e seguridad. La columna final elegida ES generalmente de 15 a 25 por ciento más alta que la presión normal d 2 la caldera. M attriales: Ver Tabla 6-4. Los números de ::;elección 4 , 5, 8 Y 14 en esta tabla son comun es para bcmbas de media y alta presión. Motores: Ver los Capítulos 8 y 10. Se usan tanto motores eléctricos como turbinas para bombas de baja, media y alta presión, y la tendencia al presente favorece a los motores a prueba de salpicadura. Una estación central nueva mueve la bomba de alimentación cc n la flecha del generador principal , a través de una transmisión hidráulica. También se usan dos bombas de reserva de la mitad de ca pacidad, movidas separadamente.
La bomba principal es la bomba de alimentación mayor del mundo: maneja 400 Ips a 190 kgjcm" y requiere 12000 hp. CSPN: Ver las Normas del Instituto de Hidráulica y Capítulo 4. Gasto Mínimc: V éanse las recomendaciones del fabricante sobre derivaciones y gastos requeridos. Control: Varía con la clase y tipo de bomba. Pero la economía de la operación de velccidad variable, está recibiendo mayor a tención actualmente y se encuentran más aplicaciones en las plantas de media y alta presión. Las plantas de baja presión (y algunas de media y alta presión) usan comúnmente reguladores de agua de alimentación del tipo de estrangulamiento para unidades distintas de bombas reciprocantes. Localizando las válvulas de regulación en la descarga de la bomba, los calentadores de tubería están sujetos a presiones mucho menores que si las válvulas se colocaran en la entrada del tambor de vapor. EmpaqUES: Véase Capítulo 9.-Los sellos mecánicos, que se han introducido recientemente para bombas de alimenta ción de presiones medias y altas, probablemente encontrarán un mayor uso en años venideros; éstos dan mejores sellos con menos mantenimiento. Disposición: Las bombas de voluta de carcasa dividida montadas verticalmente y las bombas de impulsor de doble carcasa encuentran mayores aplicaciones actualmente para presiones medias y altas cuando el espacio y la construcción de la cimentación son fac,tores. Número de Bom- ~" + 1.0 - ----, '. has: Una bomba para ~ ': cada caldera es práctica- ~ +0. 51---~-"... " c: mente normal actualmen- t~ .'" s te en plantas de cargas ~ ~ O l---+~ básicas; en estaciones con ~ -" m kg / crn ' . ~ '" 5GG / ':;38'C ca rgas variables, se usan 'El -= -0 . 5 ------~-~""-cgeneralmente dos o más ¡; I bombas operadas en pa-! , 1 r a lelo. P e ro cu a nd o la ca _ . - 1 o '---'---'60--l.----L-L-L--'70L-'--l._.L-Ls-'o ,
pacidad total es clemasiado pequeña para servirse económicamente con elos bombas, habrá ele L1sarse
Eficiencia d(' lit Uotllh~l d('" a l imt>IlIi.lcióll de la cald era %
FIG . 11-6. Efecto de la pficiencia ele la bomba ele alimentación sobre el régimpn calorífico de la es tación . (Cortesía c/C' P O IC e!'.)
una so la unidad , independientemente de la carga que sea. Pueden usarse también dos
SERVICIOS PARA PLANTAS DE FUERZA
340
341
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
bombas cuando la capacidad es demasiado grande que pueda servirse económicamente con una sola bomba. Hasta 60000 kw, aparece como más popular una sola bomba. Arriba de 100000 kw, y en muchas plantas pequeñas, parece mejor el uso de dos o tres bombas de la mitad de la capacidad. Con tres bombas, una de ellas actúa como rEserva todo el tiempo. Eficienáa: La Fig. 11-6 muestra el efecto de la eficiencia en la bomba de alimentación sobre un balance térmico típico . La importancia de la selección correcta es aparente. Bombas de Circulación de Calderas. Las calderas de circulación forzada , que se están haciendo cada vez más po pulares en los Estados Unidos, requieren una bomba para eliminar el agua del tambor de la caldera y forzarla a la secció n de evaporación. Sé usan bombas del tipo de voluta de uno y dos pasos (Fig. 11-7) Y bombas de motores "enlatados" (Capí tulo 12). La capacidad es generalmen te de dos a trES veces la capacidad de vapor de la caldera. La presión desarrollada llega hasta unos 25 kg/cm é , y la presión de succión es igual a la presión nominal del tambor de la caldEra. Las temperaturas ascienden hasta 370 ° C. Mat eriales: Ver Tabla 6-6. Se requiere construcción especial de alta temperatura. Movimiento: GeneralmentE, motores eléctricos. Número d e Bombas: Dos o más por caldera, con una de reserva. Impor tante: Hay
(a)
(h)
Fre;. 11-8.
FIG.
11-7.
Bomba de circulación de caldera. (Cortesía de Worthing. ton Corp .)
Bomba de condensado típica de 3 pasos. (a) Corte. (1,) Exterior. (Cort esía de InRersoll-Rand Ca.)
que trabajar en cooperacJOn con el fabricante al seleccionar estas unidades. Existen actualmente muy pocos diseños pro· bados en la práctica. Bombas de Condensados. Plantas d e Baja Presió n: En plantas de calentamiento y otras en que las bombas de con-
342
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
densado separados no se necesitan, los grupos de centrífugas y de turbina regenerativa de condensación provistos con un receptor (Capítulo 19) sirven tanto como para el condensado como para la alimentación de la caldera. Las bombas de condensado reciprocan tes se usan muy raramente en la actualidad. Cuando debe usarse una bomba de condensados separada, y la columna es baja o moderada, son satisfactorias las bombas centrífugas del tipo voluta de propósito general de doble succión de uno o dos pasos. Los pasajes de succión deben tener derivaciones en ambos lados del impulsor para extraer cualquier vapor presente a una área de presión más baja. Generalmente se recomiendan las cajas de empaque provistas con jaulas para sellado con una fuente de agua externa. Otros diseños de bombas centrífugas usadas en este servicio incluyen bombas de acoplamiento estrecho, carcasa dividida verticalmente y del tipo de uno o dos pasos. Estas unidades generalmente se encuentran en el mercado como bombas de condensado de baja presión.
Plantas de Presión Media:
Las bombas centrífugas horizontales del tipo voluta con impulsores opuestos de dos pasos y las regenerativas de varios pasos se usan en plantas de presiones medianas. Es práctica común el proveer un alivio a la cámara de succión de la bomba del tipo de voluta. Las cajas de empaque se encuentran normalmente sujetas a la presión de descarga, como en la unidad de la Fig. 11-8. Las cajas de sellos que se usan en las cajas de empaque (Fig. 1-29) debido a que puede presentarse succión de aire cuando la bomba está parada.
Plantas de Alta Presión: Las bombas del tipo voluta horizontales de varios pasos representan una elección común para columnas elevadas y capacidades grandes. Aun cuando la bomba de la Fig. 11-8 tiene cuatro impulsores, es en realidad una unidad de tres pasos debido a que los dos impulsores del centro forman el primer paso, teniendo así un área de entrada mayor y permitiendo que la bomba opere a una cspn menor. El pasaje de succión tiene una válvula de alivio en la parte superior para evitar vaporización. El sello externo se usa nuevamente para las cajas del empaque. En algunos diE:eíios, se tienen tres pasos cuando dos bombas en una flecha. Para proporcio nar la cspn requerida en bombas de conden-
SERVICIOS PARA PLANTAS DE FUERZA
sado horizontal se necesita frecuente· mente localizar la unidad en un pozo abajo del nivel del piso. Esto hace el mantenimiento más difícil e introduce la posibilidad de daño al motor primario en caso de inundación del pozo. Para salvar estas desventajas, se han desarrollado las bombas de turbina verticales de pasos múltiples (Fig. 119) tanto para presiones medias como altas. El elemento de bombeo se encuentra encerrado en una cubierta que forma el pozo de succión. La cubierta está instalada abajo del nivel del piso, soportando la bomba y su motor. La cubierta de la columna de descarga pueden suministrarse en longitudes adecuadas a la cspn requerida. También existen unidades de un solo paso con este diseño. Estas bombas se alivian automáticamente y se suministran con impulsores abiertos o cerrados. Generalmente se usa un motor de flecha hueca para moverlas. Las bombas de retorno son también populares en estaciones grandes. En esta aplicación, el condensado pasa a través de uno o más pasos, deja la bomba y circula por uno o 'más calentadores. De ba pasando nuevamente por uno o más los siguientes calentadores del ciclo.
343
Fra. 11-9. Bomba de condensado vertical de varios pasos.
allí regresa a la bompasos y se descarga a
SelecciÓn de Bomba de Condensado:
Capacidad:
La capacidad se basa sobre la máxima de la planta o unidad que sirve la bomba. Las bombas horizontales tienen generalmente uhI margen de 25 por ciento para sumergencia reducida. Co. lu,mna : La cspn es de importancia capital debido a que la bomba generalmente toma su succión directamente del pozo de calentamiento e1el condensador. Ver CapítJlo 5. Importan~~ : El vacío en la succión de la bomba (cuando la unidad to'ma succión de un pozo de calentamiento del condensador) reduce la columna de succión estática. Materiales: El conden-
344
BOMBAS - ~U SELECCIÓN y APLICACIÓN
sado a baja temperatura es generalmente menos corrosivo que el agua de alimentación a alta temperatura. Las bombas con aditamentos de bronce se usan con frecuenciil, por esta causa. Movimientos: Generalmente, se elige movimiento por motor eléctrico, pero también son populares las turbinas de vapor. Control: La sumergericia, recirculación del condensado y estrangulamiento de descarga son métodos de control comunes. El control por sumergencia es simple y suministra un ligero ahorro de energía a los valores exactos de columna y capacidad requeridos por el sistema. Sin embargo, la estrangulación de la descarga, con algún tipo de recirculación, generalmente se considera mejor que la sumergencia y el control de recirculación de condensado. Empaque: Usen se cajas de sello con una fuente externa de agua para evitar la entrada de aire. Número de Bombas: Se puede usar ya sea una bomba de capacidad total o dos de la mitad, dependiendo de que la estación sea o no para cargas bases. La capacidad de reserva se obtiene instalando una bomba adicional o interconectada con otras bombas de la planta. Las bombas de auxiliar de condensado y de pozo caliente desarrollan las mismas operaciones que las bombas de condensado y se deben elegir de la misma manera. Las bombas auxiliares pueden localizarse entre calentadores, donde la bomba de pozo caliente toma su succión del condepsador y descarga a las auxiliares. .' Bombas de Circulación de Agua. También se les Ilam~' circuladores y suministran agua de enfriamiento al condenf sador de vapor. Muchos condensadores de gran tamaño tiet nen dos circuladores de la mitad de la capacidad y un dis. positivo para invertir el flujo a través del condensador. Cada bomba sirve una sola caja de agua. Las bombas del tipo voluta de doble succión horizontales de un solo paso (Fig. 1-13) son muy populares para servicio de circulador pero las bombas de impulsor vertical, turbina y de flujo mixto (Fig. 20-2) están ganando popularidad en los últimos años para flujos grandes y columnas moderadas que caracterizan el enfriamiento de condensadores. Las bombas con aditamentos de bronce son normalmente las adecuadas para este servicio. Los circuladores desarmables son unidades verticales dispuestas de manera que se puedan quitar fácilmente para darles mantenimiento.
SERVICIOS PARA PLANTAS DE FUERZA
345
Bombas de Aceite Lubricante. Estas, así como las bombas de combustible de fricció,1 son generalmente alguna forma del tipo rotatorio. La Fif.. 11-10 muestra una bomba típica de dos tornillos que maneja 5 lps a presiones continuas de 19.3 kg/cm ~ . Las bombas de vapor de acción directa se usan para servicio de aceites combustibles en plantas pequeñas de baja y media presión pero su uso parece declinar. En estaciones grandes se usan algunas bombas centrífugas de aceite combustible de alta presión. Ver Capítulo 13.
PIG . 11-1.0.
Bomba de aceit.e combustibl<) del tipo de tornillo. (Cor!.esía de Ik Lapal 5 1.('0.111. Tll rhin.e Ca.)
Bombas para Purga del Calentador. Éstas son genera!mente unidades divididas verticalmente de un solo paso y de "ucción por el extremo (Fig. 11-11). Nótese la caja de empaques especial que se usa en esta bomba. Otras Bombas para Plantas de Vapor. En plantas de fuerza de vapor se usan un gran número de ot ra s hombas. Éstas se discu ten brevemen te en seguida: Bombas para Manejar Ceniza: Las bombas de un solo paso revestidas con hule y selladas co n agua, (Fig. 11-12) manejan cenizas. Hay otros diseños sin empaque y que tienen impulsores del tipo plano y disposiciones especiales para
346
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
SERV1CIOS PARA PLANTAS DE FUERZA
la entrada de succión. Aun cuando la bomba es importante, también lo son otros detalles del sistema. Bombas para Alimentación de Químicos : Para este servicio son normales las bombas de varios tipos de volumen controlado y medido , reciprocantes (Capítulo 3). Se usan en
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FIG. 11 -12. Bombas recubiertas de hul e parn manejo de cenizas. (a) La bomba de ce nizas m aneja sólidos. (b) Bomba para recirculación del agua d e ce ni zas. (Cortesía de AlIen-8h.erml1n-Hoff Co.) FIG. 1¡ - ¡ 1.
Bomba para drenaje d e calentador de un solo pas!,. (Cortesía de Il1g ersoll-Rand Co.)
sistemas de control de pH, coagulación, sílica-acti',rada, preparación de aguas, desmineralización y de calizl:ts, control de CO" y 0 ", etc. Bombas de Sumidero: Ver Capítulo 18. Bombas de Suministro de Agua: Ver Capítulo 17. Las bombas de agua para servicio de cenizas, para circulación de hidrógeno, aguas frescas auxiliares para agua salada, sellos de collarines, agua de río, contra incendios, almacén d~ condensados, servicio de o.gua de ciudades y desmineralizaóón , son generalmente bombas de un s:)lo paso con adita:nentos de bronce, succión simple e doble, o hien todas de bronce o todas de fierro del tipo voluta. Sin embargo, las bombas de turbina vertical y flujo mixto se han hecho populares para muchos de estos servicios en los últimos años. Pueden ser movidas por motor eléc trico o por turbina. Las bombas para ácidos y cáusticos son frecuentemente simila res a los anteriores, excepto que se usa n materiales especiales en su co nst ru cción. Algunas son
del tipo que no usa empaque. Bombas de Sumidero para Purga de Calderas: Ver Capítulo 18. Bombas para Prueb as Hidroestáticas: Ver Capítulo 3. Bombas para Suministro de Aceite Lubricante en Turbinas de Vapor y de Engranes Giratorios son generalmente unidades rotatorias, movidas ya sea por motores eléctricos o turbinas, o ambos. Las bombas de sello de aceite pueden ser rotatorias o centrífugas. Circulación de Torre de Enfriamiento: Para este servicio se usan tanto bombas horizontales corno verticales, siendo la bomba de turbina vertical de uno o varios pasos extremadamente popular y mostrando además promesa de mayor uso <::n el futuro. Se usan impulsores semiabiertos :) semicerrados en las bombas de turbinas verticales. Puesto que la mayor parte de las bombas para circulación de torres de enfriamiento son exteriores, están provistas de motores a prueba de intemperiE. Las bombas horizontales para torres de enfriamiento son unidades de voluta movidas por motor de un solo paso y de succión simple () doble.
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de cond e nsado. (Cor tes ía d e Cochra n e Cor fl·)
Eyectores d e Aire por Chorro d e Vapor : ·(Fig. 11-13a) se usan comúnmente de dos a tres pasos con condensadores anteriores y posteriores para enfriamiento elel condensado. Para flujos de vapor en el condensador principal que excedan de 4 500 kgjhr el eyector viene generalmente provisto de dos eyectores auxiliares de paso inicial y dos del segundo montados uno al lado del otro. El consumo de vapor de los eyectores de los pasos varía de 90 a 450 kg/ hr para flujos de vapor de O a 360 000 kg/ hr al condensador principal con un vacío de 737 mm de mercurio y una depresión de temperatura de 4° C. Bombas Rotatorias de Vacío. Son generalmente del tipo de leva y pistón (Fig. 2-1). Las ventajas de estas hombas incluyen: menor mantenimiento, eliminación de boquillas de arranque y reducción de la contaminación de amoniaco. Materiales para Bomhas. Los estudios má s recientes sobre bomhas de alimentación en plantas de ·fu erza muestran que el fierro y el acero fundidos no son ad ecuad os para instala ciones de al ta presión. En general, un acero con el 5 por ciento de cromo da suficiente resistencia a la corrosión ya la
SERVICIOS PARA PLANTAS DE FUERZA
349
erosión. Mayores concentraciones de aleación no dan un aumento marcado a la resistencia. Con una vida relativa del servicio de 1.0 para fierro y acero, un 5 por ciento de cromo eleva la vida hasta 100, 18-8 de 100 a 105. 'Se recomiendan flechas de acero inoxidable o de monel K para estas bombas. Cuando hay gases disueltos presentes, pueden usarse bombas totalmente de bronce o acero al cromo al 13 por ciento para bombas de purga de calentadores. Las bombas de circulación que manejan aguas contaminadas en depósitos pueden requerir carcasas de bronce e impulsores inoxidables, las flechas deben ser inoxidables o monel. Cuando se interconectan bombas para tener capacidad de reserva, el procedimiento frecuente al presente, debe considerarse el efecto del líquido. Bombas para Condensados de Proceso. Existen muchas unidades diferentes disponibles a la fecha para manejar condensados de retorno de equipos de proceso. Los ohjetivos generales para los cuales están diseñados son: (1) Evi tar el desperdicio de vapor, (2) mantener el condensado en forma líq uida, (3) eliminar el aire del sistema de retorno, (4) regresar el condensado a la caldera a la temperatura y presión a la cual se ha formado. Las unidades para este servicio consisten generalmente de un recipiente y una o más bombas conectadas a él (Fig. 11-12) . El condensado que regresa al recipiente se conserva allí hasta que el nivel alcan za una altura determinada, a la cual la bomba arran ca automáticamente. Muchas de estas unidades son bomhas turbinas del tipo regenerativo debido a que tienen caracteristicas muy deseables para alimentación a presiones bajas y medianas. Un sistema carente de tanque (Fig. 11 -13b) que usa una bomba combinada de chorro y centrífuga. La bomba centrífuga toma el condensado del tubo de cebado provisto de aletas y lo descarga a la instalación y a un punto de escape. La cantidad de condensado descargado al escape es igual a la cantidad de líquido y vapor que entra al tubo de chorro en forma de vent.uri, en el lado de succión del tubo de aletas. De la salida, el condensado fluye a un punto intermedio en el sistema de la caldera o al alimentador de agua. MÁQUINAS DE COMBUSTIÓN INTERNA Las plantas diesel, gasolina y gas usan bombas para diversos servicios : circulación de agua de enfria mi ento, sumini stro
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CAPÍTULO
12
APLICACIONES EN ENERGíA NUCLEAR
Aun cuando la industria qUlmlca durante mucho tiempo buscó una bomba centrífuga a prueba de fugas para empleo en procesos, no fue sino hasta el advenimiento de las plantas de energía nuclear que se inició un estudio concienzudo del problema. Antes de esto, las únicas compañías americanas que edudiaban activamente los requisitos de servicio de bombeo a prueba de fugas era la Chempump Corporation, The Fostoria Pressed Steel Co. (bajo licencia de la Zenith Engineering Corp.) y la Westinghouse Electric Corp. Las bombas desarrolladas de estos estudios fueron unidades relativamente pequeñas. Programa de la CEA. En los primeros pasos de diseño de las plantas de energía nuclear la Comisión de Energía Atómica tuvo necesidad del desarrollo de dos bombas selladas herméticamente. Las firmas que se avocaron a su desarrollo fueron la Allis-Chalmers Manufacturing Ca., Byron J ackson Co. y Westinghouse Electric Corp. Las bombas requeridas eran: (1) una bomba de 252.4 lps para desarrollar 7 kg/ cm~ manejando agua a altas temperaturas y a alta presión (140 kg/cm"); (2) una Unidad de 9.461ps para desarrollar 8.44 kg/ cm," manejando agua a alta presión y a alta temperatura. La primera unidad fue la bomba de enfriamiento principal y la segunda una bomba de servicio hidráulico para una planta atómica. De estos y otros estudios y pruebas, han surgido un gran número de bombas muy apropiadas para diversos tipos de reactores y unidades nucleares. Se han desarrollado presiones hasta de 350 kg/cm " a temperaturas de 650 ° C en algunas de ellas. Les líquidos manejados incluyen agua pesada, agua radiactiva, sodi:J líquido , lodos radiactivos y bismuto líquido, Aun cuando es prematUl'o el determinar qué disei"lo o diseños de bombas habrán ele convertirse en selecciones normales, son
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muy interesantes algunos detalles de muchas de esas bombas. Un conocimiento de éstos es útil para elegir bombas en aplicaciones nucleares. Condiciones de Servicio. Los requisitos de colunma y capacidad de las aplicaciones nucleares no son severas: las columnas son moderadas (del orden de 7 a 14 kg/cm ~ ) mientras que las necesidades de capacidad son de moderadas a grandes (hasta unos 315 lps, al presente). Lo que introduce problemas de dise110 y manufactura es el requisito de cero fugas, las restricciones en cuanto a los materiales de construcción y la naturaleza de algunos de los datos sobre los que se basan los diseños de las bombas. Pero estas dificultades se están venciendo rápidamente. Actualmente algunas formas tienen una línea normal de botbbas obtenibles para aplicaciones de energía nuclear y otras, relacionadas a éstas o no. Para cumplir con las condiciones de servicio de la energía nuclear por lo menos se han estudiado siete variaciones de di.se11o: (1) la bomba de motor "enlatado"; (2) bombas de motor sumergido; (3) bomba con motor en atmósfera de gas; (4) bomba con motor en aceite; (5) bomba con fuga ,controlada; (6) bomba electromagnética; (7) bombas de diafragmas especiales. Las primeras cuatro unidades son bombas, de cero fugas provistas de motores de acoplamiento estrecho y la unidad herméticamente sellada en una carcasa adecuada. La quinta es una bomba de bajo costo; fugas controladas con un sello mecánico para limitar las fugas a la flecha de mando de la unidad. El motor principal de la bomba puede ser un motor eléctrico, turbina de vapor o motor de gasolina o diese!. Las dos últimas bombas son unidades de cero fugas. Bomba de Motor Enlatado. La Fig. 12-1 muestra un diseño típico de este tipo. El líquido bombeado llena la cavidad del motor pero se excluye de los devanados de rotor y estator por capas de sellado (latas) en el entrefierro magnético. El calor desarrollado por el motor se elimina por medio de agua que circula por los tubos que lo envuelven, del cambiador Íntegral de calor. No se usan sellos externos para la flecha, y las boquillas de succión y descarga están diseñados para soldarse a la tubería. El motor e impulsor de la bomba pueden desmontarse de la carcasa sin tocar el sistema de tubería. Pueden usarse soldaduras renovables de sellado para sellar her-
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FIG. 12-1. Bomba típica de motor enlatado adecuada para energía nuclear y procesos generales de aplicación. (Cortesía de Westinghouse Electric Corp.) ,9
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FIG. 12-2. Características de la bomba de la Fig. 12-1 cuando está provista de un impulsor con un diámetro de 133 a 146 mm operando a 3500 rpm. (Cortesía de Westinghouse Electric Corp.)
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APLICACIONES EN ENERGÍA NUCLEAR
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
méticamente la bomba pero también se suministran empaques cuarido nó se requiere sellado hermético para el servicio, al que se va a aplicar la unidad. El líq uido bombeado llena completamente todos los espacios dentro del tubo de sellado y suministra lubricación para los baleros. Un impulsor auxiliar circula el fluido por el rotor y a través del tubo que lo envuelve. Este tubo, dentro del entrefierre magnético sella también el estator del motor del líquido que se bombea. El líquido en ~ tra en la parte baja de la bomba y descarga a un lado. El único requisito auxiliar es una fuente externa de agua ordinaria limpia, para enfriamiento. Estas bombas se pueden obtener comercialmente, están diseñadas para manejar agua radiactiva sin fugas . Aun cuando diseñadas originalmente para circular agua a alta presión y a alta temperatura entre un reactor y una caldera de vapor, . estas bombas son adecuadas para muchos líquidos claros no abrasivos. Se pueden obtener diseños especiales para manejar metales líquidos a temperaturas de hasta 540 o e. Estas bombas pueden diseñarse también para líquidos en sistemas compresivos de 703 kg/cm ~ . Cuando son de un solo paso, del tipo voluta y con todas las partes que entran en contacto con el líquido de bombeo hechas de aleaciones resistentes a la corrosión (acero o Inconel). La Fig. 12-2 muestra una curva típica de comportamiento para una de estas bombas. La columna normal de los modelos usuales varía de 15 a 110 m, la capacidad de .06 a 950 lps, la temperatura máxima de succión de 232 a 316 °e, la cspn requerida de 1.5 a 27 m y la densidad de 0.76 a 1.9. La presión máxima permitida en el sistema en un modelo normal es de 1.76 kg/cm". El medio secundario de enfriamiento es agua en todos los modelos excepto en uno, en donde se usa aceite Wemco' C. El aislamiento de clase H se usa en todos los modelos enfriados por agua ; A en el otro modelo. La temperatura máxima' permisible en la entrada del líquido de enfriamiento es de 38° C; el flujo refrigerante varía de .06 a 9.6 lps, la caída de presión en la bomba de .2 a 1.4 kg/cm". El voltaje de la línea del motor jaula de ardilla puede ser de 110 a 2300 volts. La velocidad del motor es de 900, 1 800 o 3 600 rpm , o 1 800/900 o 3600/1 800 rpm. Las variaciones de diseño de las bombas con motor enlatado incluyen (1) un tipo de alta presión que tiene un soporte
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del estator hecho de laminaciones y que r.esiste la presión total de descarga de la bomba; (2) un tipo de alta presión provisto de un sistema de balance para igualar la presión deI.líquido a lo largo del revestimiento del estator, eliminando los esfuer;·.os en éste, independientemente de la presi\)n de succión de la \ bomba, y (3) una unidad de baja presión tal como la mostrada en la Fig. 1-16. Puede usarse un cambiador de calores externos para enfriar el motor en algunos diseños si se desea.
rlG. 12·3, Bomba de motor sumergido de 250 hp nominales opera co n presiones de succión hasta 141 kg/cm" y temperaturas hasta 343 °C. ( Cort esía de B y ron Jac}¡soll Ca.) Bomba de Motor Sumergido. En este diseño (Fig, 12-3) el líquido bombeado redea a las laminaciones del estator y se encuentra en contacto con ellas y con el devanado, los baleros de la flecha y el rotor del motor. Se requiere aislamiento a prueba de agua en el devanado del estator. Muchas unidades de este tipo se usan como bombas de circulación de caldera cen presiones de succión hasta de 140 kg/cm" y temperaturas de 343 ° C. Puesto que el agua radiactiva puede atacar el aislamiento del motor, esta bomba aún no se usa para servicio de circulación de reactores. Bomba con Motor en Atmósfera de Gas. En este diseño, el líquido bombeado no puede entrar al motor (Fig. 12-4).
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Y
APLICACIÓN APLICACIONES EN ENERGÍA NUCLEAR
Un gas inerte, que puede ser nitrógeno o helio, rodea co mpletamente el rotor y el estator. Se usan baleros lubricados co n grasa en el motor. Este diseño de atmósfera gaseosa puede manejar satisfactoriamente lodos abrasivos de uranio.
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1 FIG. 12-5. Bomba con mo tor en baño de ace ite que t.iene sell o m ecánico en la unid ad 200 hp, sellos de mercurio en la d e 400 h p (Cortesía de B yrol1 dackson Co.)
Tabla 12-l.
FIG. 12-4. B omba con motor en atm ósfera de gas 10 hp nomi na les . maneja lodo de uranio a temperaturas d e 538 °C. (Co rt esía de By rol1 dacksol1 Co.)
Comparación de Eficiencias de Varios Motores "
(Unidades ve rticales de 300 hp, 1800 rpm para 141 kg/cm 2)
Tipo de Motor
Bomba con Motor en Baño de Aceite. Aun cuando no se usa todavía en sistemas de enfriamiento de reactores, las bombas con motor en aceite tienen muchas ventajas, incluyendo un motor de alta eficiencia, enfriamiento efectivo de motor y baleros lubricados con aceite. Un sello de flecha , ya sea del tipo de mercurio o del tipo mecáni co, separa el aceite del motor y el líquido bombeado. El sello de mercurio es del tipo de cero fuga mientras que el sello mecáni co tiene una fuga promedio de unos 15 1 por año. Cuando se usa un sello de mercurio (Fig. 12-5) la co ntaminación del mercu rio co n el aceite o por la radiactividad presenta problemas. Al presente, están en servicio más de 1 000 bombas con sello de mercurio. Las capacidades de estas unidades varían de 10 a 400 hp, con sumergencia de hasta 360 m. Se requieren presiones diferenciales bajas en el sello y velocidades periféricas bajas en la flecha para usar con éxito un sello de mercurio.
Enlatado
Sumer- En baño gido de aceite
Atmósfera de gas
P é rdidas eléctricas, kw . ... 1.4 18 12 14 P érdidas por fricción en 01 roto r, kw ', .. .. , '. " ... 10 10 16 3 Pérdidas e n revest.imiento, kw 36 Eficiencia de l m otor % .. 79 89 89 93 Ca racte rística de cero fuga . , Bu ena Buena R egul a r Buena Lubricación de chumacera Regular R egul a r Buena Buena Enfriamiento del devanado del motor R egular Bueno Bu e no R egu la r Dise ño de las te rmin antes del mo~r " "" Bu e no R egu lar R egu lar R egular Debilidades de diseño .. R ew'!sti- Contami - Fugas d e Co n trol del mie nto nación aceite ni vel del líquido Cortesla de Byron J ackson Co.
1
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La Tabla 12-1 compara los diversos diseños de bombas discutidos antes. Aun cuando en el presente las bombas con motor enlatado son las más comunes para servicio de reactores, la eficiencia del moter es baja. Para mantener la fricción del rotor y las pérdidas del revestimiento a un mínimo en los motores ahogados en líquido, se usa frecuentemente un motor largo y esbelto. Bombas de Fugas Controladas. En éstas se usa un sello mecánico para conservar las fugas en la flecha en un mínimo. La idea prevalecente entre los fabricantes de sellos es que se puede diseñar y operar satisfactoriamente un sello mecánico para 140 kg/cm". Una compañía, la Byron Jackson Ca., tiene ahora un sello mecánico de 10 hp en 141 kg/cm" manejando agua a 149° C. La bomba provista con sellos mecánicos puede usar un motor normal o moverse por turbina o máquina de combustión interna, dando una eficiencia de operación mayor de la bomba de motor enlatado o ahogado. Existe un gran número de bombas equipadas con sellos mecánicos, de 3000 hp y que manejan agua pesada. Estas bombas tienen sellos dobles y las fugas so n de unos 76 1 por año. Tabla 12-2.
Comparación d el Costo de Manufactura para Motores de Bombas de un Solo Paso *
(Servicio de circu lación compresión de succión de 141 kglcm ". 300 hp. 1 800 rpm)
Tipo d e motor
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En lat ado
Partes d e acero inoxidable en co ntacto con e l líquido bombeado . '7., Partes de a ce ro d e bajo carbón en co nta cto co n el líquido bombead o (r;,
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APLICACIONES EN ENERGÍA NUCLEAR
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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La Tabla 12-2 muestra los costos relativos de una bomha de un solo paso con diferentes clases de construccinó. El ahorro obtenido con aceros de bajo carbón y sellos meGánicos es, como puede verse, considerable. Bomba Electromagnética. Estas unidades no tienen partes móviles, lo que significa que se eliminan los sellos de todos los tipos. Como resultado, no hay peligro de fugas en la flecha. Pero solamente los metales líquidos que tienen una c:mductividad lo bastante alta pueden bombearse satisfactoriamente con estas unidades. Los metales típicos con conducti vidad adecuada incluyen magnesio, aluminio, sodio, potasio y sus aleaciones. Con una fuente coa el principio de la bomba electromagnética es el mismo que el de un motor de inducción. La corriente alterna desarrolla un campo magnético movible en un devanado adecuado. Esto induce una corriente eléctrica en el metal ' líq uido que fluye sobre el devanado. La corriente inducida tiene su propio campo magnético, que reacciona con el campo del devanado y obliga a las partículas de metal líquido a moverse con el campo magnético móvil. La .Fig. 12-6 muestra una bomba electromagnética del tipo de inducción, de cama plana, que desarrolla 2.5 kg/cm", manejando 75.7 lps de líquido sólido a 260 ° C. La unidad está pfovista con una junta de expansión en un extremo. La bomba del tipo Faraday de e-d se muestra en la Fig. 12-7, y en la 12-8 se muestra una bomba del tipo de inducción de flujo invertido. Esto se conoce también como la bomba Einstein-Szilard. La eficiencia global de las bombas electromagnéticas es de alrededor de 50 por ciento; el costo es de un 33 por ciento o menos que una bomba de motor enlatado de la misma capacidad. La columna desarrollada por estas bombas ,llega a unos 7 kg/ eme, aunque la mayor parte de los diseños se encuentran en la región de 3.5 kg/cm e. Algunas fundiciones están usando bombas electromagnéticas para mover metales líquidos en estado de fusión del horno al área de moldeo. Su principal aplicación , sin embargo, se encuentra en plantas de energía nuclear. Diseños Especiales. Mucho se ha trabajado en el desarrollo de sellos de fl echa del tipo congelado o de gas para bombas que manejan sodio. En el tipo congelado, se usa un
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACiÓN APLICACIONES EN ENERGÍA NUCLEAR
cubreflecha con serpentines de enfriamiento incrustados, y una fuente separada de refrigerante, para mantener la temperatura del sello abajo de 66°C. El sodio se funde a 97.8°C. Debido a que el agua y el sodio reaccionan químicamente el
de metal que se mueven juntas. Esta disposición se está probando actualmente para manejar sodio líquido. Las bombas que manejan sodio líquido y provistas co n sellos del tipo congelado o del tipo de gas, cuestan aproximadamente la mitad
Planta
Motor
Elevación
l'r o h! cl~ i ó n
cont.ra
rndia c ión
FlG . 12·6. Bomha e lect rom ag né tica de ca m a plana d el tipo d e induc_ ción, desarrolla 2.6 kg/cm" cuando maneja 76 Ips de sodio líquido a 260 °C . ''' Sello auxilia r
Sello
ele l lipo de
"ele laberinto" ·-
conta'c to
',. ,Superfici e
cubierln
de sod io libre '", . . Fleoha
SUC.ClÓn . . _ _ ....
laminudo
. Descarga
de corriente a ltcnla
'-~ --' n e vanado
FH;. 12-7. Bomba tipo F a raday codo
FIC;. 12-8. Bomba del tipo d e inducció n de flujo inve rso. (Cortesía de A lIis-C ha,lmers M anllfadu ring Ca.)
refrigerante del cubreflecha debe ser un hidro carbono o bien otro metal líquido. Los hidro carbonos no se usan en las bombas de reactores nucleares conocidos como rápidos. La Fig. 12·,9 muestra una bomba de sumid ero di señad a para ma nejar sodio líquido. Está provista de un sello de laberinto del tipo gaseoso y un sello del tipo de contacto. El sello de laberinto se alimenta con un gas inerte a una presión de unos .'5 cm de agua . Como puede verse en la Fig. 12-9, el sello de laberinto está soportado por un sello del tipo de contacto que actúa como un sello mecánico, ya que tiene dos superficies
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Salida FIG. 12-9. Bomba de sumidero diseliada para m a nejar sod in líquido .
FIC. 12-J.0. Bomba de gello fijo. 30 h p nominal es a 1 20n rpm. man eja sodio líquido 3 650 "C. (Coru!8ía d e Byron dacksol1 Cn.)
que las bombas electromagnét.icas y como la tercera parte que las bombas de motor enlatado. Su eficiencia general es de alrededor de 75 por ciento. La Fig. 12-10 muestra otra bomba de sello congelado para manejar scdio líquido a 650 °C. Se usa toloeno a 93 ° C para sellar, con la presión de balance mantenida en todo el sello, de manera que se tenga prácticamente cero fugas. El porta
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
APLICACIONES EN ENERGÍA NUC LEAR
balero, para baleros lubricados por aceite está montado en una lata sellada con helio. Selección de Bombas. Sistemas de Reactores : Para servicio de enfriamiento de reactores, son muy populares las bombas de motor enlatado tanto para agua como metales líquidos. Las bombas electromagnéticas so n más baratas y se han construido en capacidades de 189 lps a 5.6 kg/ cm" (tipo de cama plana). Columna y Capacidad: Éstas varían tanto que es imposible dar regiones de aplicación promedio en el estado presente de desarrollo de reactores. Material es: Los aceros inoxidables de bajo carbón son adecuados para las partes que están en contacto con el líquido en la mayor parte de las bombas de motor enla tado. Generalmen te son adecuadas las flechas de acero inoxidable endurecidas superficialmente, sobre baleros de stellite o Colmonoy, o bien stellite sobre stellite (distintos grados) para bombas de sodio líquido. Las características de bombeo y gasto para agua y sodio líquido son muy similares. Los aceros inoxidables, tipos 304, 316, 346, etc., so n adecuados para partes de bombas en contacto con refrigerantes de reactores. M atores: El único tipo que se usa es el eléctrico; las turbinas de vapor pueden llegar a tener alguna aplicación en el futuro. Para suministrar energía a las bombas electromagnéticas de c-a es muy popular un generador del tipo unipolar con nu co nmu tador de "carbones" hidrotipo de NaK. CSPN: Generalmente no es un factor. Contrcl: El motor enlatado y otros usado en bombas pueden usar: (1) control de variación infinita con (a) un motor de rotor devanado y reóstato de tambor o líquido; (b) acoplamiento por corriente¡; inducidas; (e) acoplamiento líquido; (d) acoplamiento magnético, o (2) co ntrol por pasos, utilizando un transformador con derivaciones, para velocidades de 100, 80 y 60 por ciento. Para bombas electromagnéticas e-a, tanto el volta.ie como la frecuencia, ya sea por separado o en forma combinada, pueden usarse para co ntrolar la velocidad sobre una región mu y amplia. Empaqu e: Ver discusión en este capítu lo . Número de Bombas: Generalmente se L1san dos bombas del tamaño normal en cada punto del ciclo, en donde una ele ellas actúa como reserva. La práctica futura puede usar una sola bomba, una vez que las necesidades de mantenimiento y seguridad de operación se hayan establecido para los diversos tipos de bom· baso La tubería de enfriamiento del reactor debe estar dispues·
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ta de tal manera que la circulación natural del refrigerante elimine el calor residual en el reactor, en caso de falla de la bomba. Sistema de vapor: Las presiones de vapor en plantas nucleares limitadas a unos 60 kg/cm" al presente, la selección de bombas de alimentación y condensado se asemejan a los pasos dados en el Capítulo 11 para plantas de presiones medianas. Cuando las presiones de vapor en las plantas nucleares se elevan más allá del nivel de 70 kg/cm", probablemente las bombas del tipo de barril y de varios pasos reemplacen las unidades de pasos múltiples y carcasas divididas que se usan actualmente para servicio de alimentación. Esto establece un paralelo con la evolución en las plantas de fuerza convencionales de vapor. Con capacidades menores de 7 500 kw, la bomba reciprocante de acción directa o del tipo de potencia pueden encontrar un amplio uso en plantas de energía nuclear. Se diseüará ya sea para velocidad variable o de carrera variable. Ver el Capítulo 11 para discusión de columna, capacidad, materiales, motores y otros detalles de bombas para plantas de fuerza de presión medianas y altas. Reactores y Bombas. El reactor de agua a presión (PWR) usa uní} bomba si n fugas para circular agua a través del reactor a una caldera del tipo de cambiador de calor, y luego regresa. El reactor de agua hirviendo requiere una bomba sin fuga para alimentar agua a su núcleo en donde se forma el vapor. Se usa sodio líquido como refrigerante tanto dentro de los reactores de scdiografito, como en los llamados I rápidos. La bomba para circulación de refrigerante puede ser de cualquiera de los tipos vistos antes. I En un reactor homogéneo la bomba va a circular fluido : que actúa como un vehí culo de combustible entre el reactor y '. la caldera. El líquido manejado puede ser uP\ sulfato de uranio ; disuelto en agua común o pesada, lodo de uranio o una solución de uranio en bism uto líquido. En una planta de energía nucleal, construyéndose actualmente, se usan cuatro bombas de motol' enlatado, una para cada circuito de enfriamiento del reactor. Cada bomba tiene una capacidad de 946 lps y está movida por un motor trifásico de dos velocidades, 1 200 hp, 2 300 volts. Las bombas deberán siempre considerarse en las plantas de e nerg'i~ nuclear, si ha de conti nuar la tendencia actual de di-
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señas. El doctor L. R. Hafstad, antiguo director del desarrollo de reactores para la CEA, ha descrito el "ciclo nuclear ideal" como un recipiente, una bomba y un tubo. Parece ser que po·r los próximos años. será un requisito la ausencia de fuga de todas las bombas que manejen líquidos radiactivos. Después de algún tiempo, quizás se permita algo de fugas, que serán recolectadas en un sistema completamente estancado. Frecuentemente la bomba o bombas que circulan líquido radiactivo se ancuentran encerradas dentro de la coraza de protección biológica. El ciclo de PWR (reactor de agua presurizada) es el tipo que se utilizó para suministrar energía al Nautilus el primer submarino nuclear.
e A P Í TUL o
13
INDUSTRIA PETROLERA
Para el objeto de clasificación, las bombas que se usan en la industria petrolera pueden ser agrupadas en ocho categorías: perforación, producción, transporte, refinería, fracturación, pozos submarinos, portátiles y de proporción. El petróleo es, después del agua, el líquido que más comúnmente se maneja con bombas. Siendo esto así, es sorprendente que el número de tipos de bombas que se usan en la industria del petróleo es relativamente pequeño, comparado con otras industrias. En esta industria es característico un alto grado de normalización de bombas. Perforación. Las bombas de lodo (Figs. 3-2 y 13-1) son, casi invariablemente unidades reciprocantes -ya sea de acción directa, movidas por vapor (Fig. 3-2) o bombas de potencia horizontales duplex o triplex (Fig. 13-1) . Para permitir facilidad de inspección y mantenimiento de las válvulas del extremo líquido, son generalmente del tipo de recipiente (Fig. 13-1). Las Figs. 3-42 y 3-43 muestran dos válvulas típicas para el extremo líquido en bombas de lodo. Para la mayor parte de operaciones de perforación la bomba de lodo debe desarrollar presiones bastante altas -hasta unos 190 kgjcm" con gastos moderados. Hasta hace relativamente poco tiempo las bombas de Iodo se operaban indivi· dualmente, pero los cambios en prácticas de perforación ha demostrado que es factible la operación tanto en serie como en paralelo en bombas de potencia. La operación en serie puede aumentar el caballaje hidráulico obtenible en un equipo en un 20 a 50 por ciento so bre el correspondiente a una sola unidad o a un arreglo en paralelo. Cuando se especifica bombas de lodo es práctica común referirse a la bomba en caballos hidráulicos, en lugar de capacidad. Muchas bombas de lodo se encuentran dentro de la clase de 30 a 60 lps. El lodo de perforación que manejan estas bombas pesa
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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INDUSTRIA
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PETROLERA
pistón lavados con agua para eliminar cualquier fuga de lodo que se presente de las cajas de empaques del extremo líquido. Para reducir la magnitud de los impulsos de presión de descarga la mayor parte de las bombas de presión están equipadas con una cámara de impulsos de algún tipo (Figs. 3-2 y 13-1). Éstas protegen la bomba, línea de descarga y manguera rotatoria de las presiones de impulsos oscilantes. En algunos diseños la variación de la presión de descarga es de menos de 5 por ciento. Con una variación tan ligera hay poca probabilidad de que se rompan los pernos en el extremo del líquido, o los brazos de los pistones, etc. Así se prolonga la vida de la bomba y su motor. Las bombas de lodo del tipo de potencia generalmente están movidas con banda, por una máquina de combustión interna. En años recientes se han hecho populares los con-
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FIG. 13- 1. ( a) Bomba de lodo d el tipo d e potencia . (b) Extremo líqlti 00 d e b<:mba d e lodo. (Cortesía de Th e National Supply Ca.)
l.3 a 20 kgj lt. Deben tomarse precauciones en el diseño de la bomba para evitar que el agua y el lodo entren al extremo de potencia. Las bombas de vapor de acción· directa genemlmente vienen provistas de r::ilotos 4U€ indican la!, fLlgas de lodo más ailá del empaque externo que se usa en el extremo líquido. Algunas bombas de potencia vienen co n brazos de
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Bombas d e va rilla d e succión (Cortesía P et roleL/m lnstitut e ) .
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370
INDUSTRIA
BOMBAS - BU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
vertidores de par entre el motor y la bomba. Las bombas de potencia reciprocan tes horizontales, se usan también para perforado con chorro en actividades de agujeros de pequeño diámetro, perforaciones de núcleos, servicio de encementado, trabajo geofísico y sismográfico, instalaciones de oleoductos y captación, fracturas e inundación por agua. Las unidades
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1
FIG , 13-3. Unidad dé bombeo de viga oscilante para movimiento por combustión interna d motor eléctrÍco. (Cortesía de Th e National Supply Co.),
más pequeñas se usan para mezclados de lodos, transferencia y chorro. Estos encuentran un campo de servicio extenso en equipos portátiles de perforación para profundidades de 900 a 3650 m y equipos unitarios para 3650 a 6 100 m o más. Ver Cap. 3 para detalles adicionales de bombas reciprocantes. Producción. Se usan tres tipos de sistemas de bombeo mecánico para extraer el crudo de los pozos de producción y entregarlo en la superficie de la tierra: cilindro de succión, hidráulico y sumergible. El sistema de elevación por gas, -neu'mático-- también se usa pero no es tan común como los mecánicos. Los pozos de gasto espontáneo no necesitan equipo de bombeo mientras produzcan en cantidades satisfactorias.
PETROLERA
371
Sistemas de Cilin'd ro de Succión. Las bombas para estos sistemas se clasifican, según el Instituto Americano del Petróleo (API) como: (1) tipo de tubo, con zapata (Fig. 13-2a); (2) tipo de tubo con zapata de extensión y niple (Fig. 13-2b); (3) tipo de varilla, barril estacionario, con tope superior (Fig. 13-2c); (4) tipo de varilla, barril estacionario con tipo inferior (Fig. 13-2d), Y (5) tipo de varilla , con barril movible (Fig. 13-2e). Ver las Normas API llA para especificaciones completas de estas bombas. Estas Normas cubren mano de obra y acabado, marcas, disposiciones típicas, elementos de partes, roscas calibraciones, etc. Las bombas de tubo tienen generalmente un diámetro de perforación máximo mayor que las bombas de varilla o las de inserción. Por otra parte, con una bomba de tubo el barril está unido al extremo inferior del cable de la tubería y el émbolo se opera del cable de la varilla de succión. Una bomba de varilla se opera como unidad completa solamente sobre las varillas. Ambos tipos se encuentran normalmente provistos con válvulas de succión y descarga de bola. Se usan sellos metálicos o no metálicos. Para obtener el movimiento reciprocante en el émbolo oe la bomba se emplea una unidad de bombeo del tipo de viga oscilante (Fig. 13-3). Ésta puede moverse por motor de combustión interna o eléctrico, dependiendo de la localización del pozo y la economía de la instalación. Las unidades de bombeo contrapesadas se clasifican de acuerdo con las Normas llE de API, usándose las cifras de 6.4 a 912 para indicar los tamaños y capacidades de los reductores de engranes. La elección de una bomba de varilla de succión para un pozo dado está sujeta a la influencia de muchos factores, incluyendo la producción deseada, profundidad del pozo, velocidad permisible en la bomba y eficiencia. Un procedimiento es el de elegir arbitrariamente varios diámetros de émbolo, velocidades y longitudes de carrera para la producción requerida, con estos datos pueden calcularse el desplazamiento y las cargas de bombeo real. Deben considerarse los esfuerzos en la tubería y la varilla de succión, así como la eficacia de la bomba. Las instalaciones de varilla múltiples tienen un solo motor principal para dos o más unidades. El equipo está dispuesto de manera que la carrera hacia abajo en un pozo balancea la correspondiente hacia arriba del otro. Las veJo-
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
cidades de bombas que se usan para pozos simples y múltiples varían comúnmente de unas '6 a 24 carreras por minuto con longitudes de carrera de 50 a 430 cm o más. Las capacidades varían desde 880 a 43 000 litros por día de 24 hr dependiendo del diámetro del émbolo, longitud de la carrera y de velocidad. Bombeo Hidráulico. Estos sistemas, que también se llaman sin varilla, consisten de una bomba reciprocante triple (Fig. 3-7) montada en la superficie, una unidad de bombeo montada abajo de la superficie, tubería de conexiones y fluido hidráulico. La bomba de superficie descarga aceite a la bomba colocada abajo de la superficie, produciendo acción recipro cante de un pistón que resulta en movimiento de bombeo. Las velocidades varían de 5 a 100 golpes por minutos con carreras de 30 a 910 cm. Las capacidades varían con la capacidad de la bomba, diámetro del émbolo, longitud de carrera y profundidad de ajuste. Las capacidades típicas varían de 2 500 a 158 000 1t por día a profundidades de :l 600 Y 823 m, respectivamente. La eficiencia global de un sistema de bombeo hidráulico es alta en comparación con las varillas de succión. Es recomendable usar los servicios de un fabricante cuando se elige este tipo de sistema debido a que la elección y aplicación de la bomba son labores altamente especializadas. Bombas Sumergibles. Las bombas sumergibles operadas por motor eléctrico (Cap. 17) se usan en algunos pozos de petróleo. La capacidad de estas unidades varían de 705 lt a 528 m 3 por día dependiendo del tamaño y capacidad de la bomba. El consumo de potencia es de alrededor de .046 kwhr por lt y por 1 000 m de elevación. La eficiencia de la bomba en uso generalmente promedia un 50 por ciento. Bombas Portátiles. Se usan bombas portátiles autocebantes, de uno o varios pasos en la perforación de pozos de prueba, para chorrear agujeres existentes y para protección contra incendio. Éstas se asemejan a las unidades descritas en los Capítulos 20 y 21. Transportes. En Estados Unidos hay actualmente alrededor de 322 000 km de tuberías de petróleo. Este total consta de tres clases de líneas: petróleo crudo, beneficio y producto. Puesto que las tuberías pueden competir con otros métodos de transporte: ta nques, pipas, etc., se espera una continuada expansión de las líneas de tubería.
INDUSTRIA
PETROLERA
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Se notan algunas tendencias importantes de las tuberías al presente: éstas son: (1) el uso de mayor diámetro para las tuberías -se usa tubería de 914 mm en algunas líneas, ~om parada con los tamaños de preguerra de 30.5 cm o menos-o Una tubería de 762 mm requiere tres veces más acero que una de 30.5 cm pero maneja ocho veces más cn.;'do por año. (2) Las estaciones de bombeo a la intemperie, sin cubierta para las bombas y sus motores se hacen más populares. (3) La operación automática de estaciones principales y de elevación está muy extendida y promete hacerse aún más popular. Bombas de Tubería. Se usan actualmente bombas del tipo voluta, carcasa dividida, horizontales, de varios pasos (Fig. 11-3) Y bombas del tipo de difusor (Fig. 13-7) en un gran número de líneas de tubería. Para este servicio generalmente vienen provistas con sellos mecánicos y están movidas por motor, turbina , o máquina de combustión interna (Capítulo 8). Algunas bombas reciprocan tes verticales de varios cilindros se usan en líneas principales y de concentré.\ción. Pero las bombas centrífugas son las más comunes y más populares para servicio de líneas principales. En servicio de líneas de elevación la bomba de turbina vertical ha encontrado aplicaciones extensas en años recientes manejando crudos, gasolina, combustibles diesel, etc. Las bombas rotatorias para transporte del aceite están confinadas a capacidades pequeñas y medianas, excepto en tanques y estaciones de carga en que se usan grandes unidades. Ver Capítulo 8 para detalles sobre motores para bombas de tuberías. Estaciones de Carga. Algunas tuberías terminan en estaciones de carga para tanques, otras en estaciones de transferencia y almacenamiento para transporte por carretera y ferrocarril. Las bombas horizontales del tipo de voluta de uno o varios pasos, las bombas de turbina verticales y varios dise110S especiales de bombas verticales (Fig. 13-4) se usan en estaciones de carga, barcazas, tanques subterráneos, etc. También se usa n bombas de impulsores de turbina combinada cuando la cspn es un factor crítico (Fig. 13-4a). Combustibles Aeronáuticos. El extremo final de algunas entregas de combustible se encuentra en sistemas de almacenamiento de combustibles subterráneos en aeropuertos. Las bombas qu e se usa n para entregar comb ustibles a los aviones se asemejan a las de barcazas. Los combustibles de
INDUSTRIA
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aviones a chorro, con liquidos comD JP-4 , son particularmente peligrosos y deben ml:mejarse cuidadosamente debido a que una chispa de electricidad estática que se produzca a lo largo de la superficie líquida en los tanques que se llenan a gran velocidad puede ocasionar un incendio. Las cargas estáticas se forman durante el bombeo del petróleo. Reduciendo la velocidad del bombeo hace que se desarrollen cargas menores. Una compañía llena los tanques de almacenamiento de JP-4 a ] 762 lts por hr por los primeros 76 mm de combustible en el tanque, aumentando la velocidad a 3 520 lts por hr por los siguientes 84 mm. El tanque se llena a través del tubo de purga de agua hasta que la profundidad es de unos 91 mm. Las especificaciones para bombas de aprovisionamiento de combustible están publicadas por la Auto":::l
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PETROLERA
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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ridad de Aeronáutica Civil, así como por el Ejército, la Marina y la Armada. Estaciones de Bombeo. Hay muchas opiniones en favor y en contra de las estaciones a la intemperie, p~ro su empleo está en aumento. Existe ya un gran número de estaciones de bombeo operadas eléctricamente hoy día que utilizan energía comprada en muchos casos. En algunas estaciones la energía eléctrica se genera en el mismo lugar. También son muy populares las bombas movidas por máquinas diesel (Capítulo 8). Y la turbina de gas está aumentando en su uso. Las estaciones de inyección frecuen~emente usan bombas reciprocan tes de pistón o émbolo debido a que deben desarrollar una presión mayor que la existente en la línea principal para forzar el líquido a la misma en un punto intermedio de su longitud. Se usan sistemas de control y comunicación de microonda en muchos oleoductos modernos de estaciones, puntos de inspección y otros. Las nuevas tuberías están ahora usando tubería ' de plástico para algunas de sus líneas. Refinería. Las Normas 610 de la API señalan las especificaciones generales para bombas centrífugas de servicio general en refinerías, sellos mecánicos de flechas y bombas verticales de procesos. Las bombas de refinería (Fig. 13-5) deben tener una carcasa dividida a ángulos rectos con la flecha si (1) la temperatura del diseño es de 177°C o mayor; (2) la bomba maneja líquidos tóxicos o inflamables con una presión de vapor mayor a 1 kg/cm 2 a la temperatura de bombeo o a 38°C tomando la que sea mayor; (3) la bomba maneja líquidos inflamables o tóxicos con densidades menores a 0.825 a la temperatura de bombeo, combinadas con una presión de succión que exceda a 10.5 kg/cm 2 ; (4) la presión de succión excede 17.6 kg/cm 2 • La carcasa de estas bombas debe ser hecha de acero vaciado, forjado, al carbón o de aleación. Para otr~s detalles, incluyendo una hoja completa de datos para adqUIsición de bombas, referirse a las Normas 610 ele API. Las bombas de refinería manejan una gran variedad de líquidos calientes y fríos y en una amplia región de presiones. La unidad en la Fig. 13-5 se construye en siete tamaños para manejar hasta 82 lps a columnas de 183 m, temperaturas .de 427 °C. Una bomba de refinería con difusor de dos pasos (Flg. 13-6) puede desarrollar columnas mayores. ~gual que la .~om ba de la Fig. 13-5, está provista de un collarm de retenclOn G
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACiÓN INDUSTRIA
PETROLERA
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Las bombas del tipo de proceso (Fig. 13-7) se usan mucho para servicios generales y medianos en refinerías modernas_ Las capacidades de estas unidades varían, pero una línea típica maneja de 1.2 a 34.7 lps a presiones de 21 kg/cm", temperaturas hasta 260°C. La mayor parte de los diseños están provistos de collarines para . servicio de refinería. Se usan sellos mecánicos o empaques. El mantenimiento es simple. Los
FrG. 13-5.
Bomba de refinería de un solo paso. (Cortesía de AllisChalmers Mlg. Co.).
para eliminar las fugas de líquidos inflamables más allá del empaque. Así mismo enfría la flecha y cubreflecha. El empaque de la flecha está enfriado por agua, la que circula por la cavidad S. Los sellos mecánicos deben usarse en lugar de empaque.
1
I FIG. 13-6.
FIG . 13-7.
Bomba de tipo proceso de un solo paso. (Cortesía de Dean Brothel's Pwnps . / n e.)
acoplamientos del tipo espaciador se usan frecuentemente en las bombas de proceso y de refinería. Las bombas del tipo de barril horizontales y verticales encuentran muchos usos para servicios en carga de refinería, caliente o frío. La Fig. 13-8 muestra una bomba de difusor típica del tipo de barril para bombeo de aceite caliente. Debido a que las presiones y las temperaturas son altas y la presencia de la acción corrosiva de los crudos, las bombas de carga de aceite caliente presentan muchos problemas de di-
Bomba de refinería de dos pasos impulsores opuestos. (Cortesía de Sigmund Pumps, Ltd.)
1
INDUSTRIA
::178
seño. La Fig. 11-5 muestra otra bomba del tipo de barril de alta presión adecuada para este servicio. Se usan muchos otros tipos de bombas centrífugas en las refinerías, y plantas petroquímicas de gasolina y similares en la industria del petróleo. Estas incluyen bombas de acopla, miento estrecho, portátiles autocebantes, de trubina vertical, de turbina regenerativa, químicas sumergibles, de sumidero y de atarjeas. Éstos se describen en otros capítulos de este libro. Un gran número de bombas rotatorias y reciprocan tes se usan también en refinerías. Las bombas rotatorias manejan
FIG. 13-8.
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Bomba de barril de cuatro pasos. alta presión (Cort!?síq de Pacifie Pumps, lne.)
1 1
los productos crudos y refinados y pueden estar provistos d camisa de vapor cuando manejan crudos extremadamente viscosos. Las bombas reciprocan tes de alta presión se ,usan para el reciclaje de aceite limpio y para manejar gasolina natural y muchos otros productos, dependiendo del proceso. Otras bombas reciprocan tes alimentan productos químicos, inhihidores de goma, deactivadores de metales, extraen ' la sal de los crudos, odorizan el gas natural, etc. Bombas Especiales. Se usan muchas en refinería. Para el reciclado de residuos, del fondo de las torres de separación
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y de aceite negro, donde se maneja co,ke de tamaño y formas irregulares, se usa una bomba del tipo de quebrador de cake. Éstos contie'nen un quebrador en la cámara de succión localizado al frente del ojo del impulsor. Cualquier cake sólido en el bombeo debe pasar a través del quebrador antes de entrar al impulsor. Las partículas de cake pulverizado son lo bastante pequeñas para pasar libremente a través de la bomba y de todo el equipo del sistema. Las unidades alkylación usan frecuentemente bombas de circulación del tipo de propulsor construidas en el reactor o contacto. También se usan las bombas de impulsor horizontal. Los sellos mecánicos dobles bañados de aceite se usan para las flechas de las bombas. La capacidad usual de la bomba principal es de 630 lps o mayor a columnas de 15 m o menores. La bomba se mueve frecuentemente por una turbina de vapor a través de una reducción de engranes, a 500 y hasta 1200 rpm. Las bombas que manejan ácidos o hidrocarbonos deben estar provistas de un aditamento para inyectar aceite en el estopero o sello mecánico, si hay peligro de corrosi6n o fugas. Úsense los factores de corrección del Instituto de Hidráulica cuando se elija una bomba para manejar líquidos viscosos o hidrocarburos. Ver Capítulo 6. En servicio de aceite rico o limpio, se usan generalmente dos o más bombas en una sola flecha. Para resolver los problemas de empaque actualmente muchas refinerías y tuberías se han normalizado en el uso de sellos mecánicos para casi todas bombas: otras refinerías y tuberías usan las bombas sin cajas de empaque (Fig.13-9). Baño de Agua. Esta y otras operaciones similares : eliminación de agua salada, bombeo hidráulico, acidulación de pozos de petróleo, almacenamiento subterráneo, servicios en estación, carga de reactor, bombeo de pozo de fondo, de hidrocarburos líquidos, fracturación ' de formación , etc., usan bombas reciprocan tes horizontales o verticales de varios cilindros (Fig. 3-29 y 11-4). Las presiones desarrolladas varían hasta 845 kg/cm". Las capacidades son mod eradas, generalmente inferiores a 31.5 lps. La mayor parte de estas bombas están movidas por motor de combustión interna, y generalmente están montadas sobre carros para facilidad de movimiento de ,un lugar a otro. Se usan cilindros y pistones
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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de acero de aleación. Puede montarse sobre rieles o largueros, si se desea. Pozos Marinos. Estas unidades, que se están haciendo cada vez más populares, usan las mismas técnicas de perforación y equipo que las unidades de tierra firme. Lo mismo puede decirse de los lanchones de perforación. El movimiento por
Válvula de
Válvula de alivio de presión del aceite con tubo de purga
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Ventana de inspección para comprobar rou'c:"on,____
Diafragma flexible accionado por resorte para separar el Ilquido bombeado del aceite del motor Enfriador del del mo tor
Igualador de presión para la unidad de aceite
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I·,~ ;;:!~;>'" I Aceite de motor
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FIG, 13-9,
Vista seccional de una bomba de proceso sin caja de empaq u e, (Cortesía de Bingham Pump , Ca,)
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381
motor eléctrico es normal para la mayor parte de las bombas en pozos marinos y balsas debido a que los motores requieren menos espacio y so n más ligeros que los de combustión 'interna de capacidades comparables. Los lodos de circulación y de volumen se almacenan a bordo de la misma unidad. La protecci.ón contra incendios es sumamente importante en estas unidades y barcazas, y se usan bombas especiales contra incendios. La producción se h.lce por medio de bombas hidráulicas o sumergibles. Bombas Portátiles. Varias aplicaciones de este tipo de bomba se señalan al principio de este Capítulo. Otras más incluyen la remo ción de lodos básicos yagua (SByA) de los fondos de tanques a los pozos de lodos y el limpiado de estos pozos. Son muy populares las bombas de diafragma o de émbolo reciprocante (Fig. 3-13) para este servicio. Las bombas centrífugas autocebantes se usan para transferir el agua salada, circulación de los fondos de los tanques y sistemas de concentración en el campo. En las refinerías circulan el agua de enfriamiento, bombean los sumideros, cargan y descargan carros tanques y transportes, y se usan en la separación de aceite j en combatir fuegos. Las bombas de medición y proporClOn (Capítulo 3) se usan en la refinería, baño de agua, transporte y muchas otras operaciones. Al principio de este capítulo se señalan algunas aplicaciones. Para muchas otras bombas usadas en operaciones petroleras, ver Capítulo 14. Bombas sin Estüp~ros. Éstos manejan una gran variedad de líquidos en operaciones de petróleo, incluyendo aceite caliente a temperaturas de 400 °C e hidrocarburos a - -101 °C. Las bcmbas especiales pueden construirse para temperaturas mayores o menores. Las unidades del tipo de la Fig. 13-9 son n prueba de fugas y de explosión. Éstas se usan para muchos otros servicios -hule sintético y plásticos, gasolina natural , hidrogenación de aceites comestibles (procesos de alimentos), transferencia de aceites y ca rga, desagüe y drenaje de pozos de construcción, sumideros, ataguías, pasos de vehículos y operaciones marinas de salvamento.
CAPÍTULO
14
INDUSTRIAS QUíMICAS
Las industrias químicas son usu,a rios principales de bombas de todos los tipos, pero, en particular, de las centrífugas. Esta última clase se usa tan extensamente que la Asociación Americana de Normas (ASA) ha circulado recientemente una proposición hecha a la asociación por la Comisión Consultiva de la Industria Química (Chemical Indust.ry Advisory Board) para la normalización de las bombas de proceso, centrífugas de baja presión . Este proyecto habrá de ahorrar unos 6,8 millones de dólares, según se estima, a la industria química, por año. Las bombas que se consideran son unidades movidas por motor, de un solo paso , con succión en el extremo, horizontales, en la región de capacidad de .3 a 63 Ips y a temperaturas hasta 260°C. BOMBAS CENTRíFUGAS Bombas Químicas. Se usan hoy en día un gran número de bombas químicas verticales de carcasa dividida para una gran variedad de aplicaciones de procesos químicos de rutina. Fabricadas por la mayor parte de los constructores principales de bombas, están diseñadas para tener la máxima aplicación en servicio de proceso sin la necesidad de cambios considerables en materiales, empaques, motores, etc. Los materiales que se usan en la construcción de las partes principales de estas bombas incluyen' bronce, fierro, aceros al carbón o de aleaciones, vidrio, plástico, grafito, hule duro, porcelanas, acero inoxidable, y una gran cantidad de otros metales y sintéticos resistentes a la corrosión y a la erosión. El objetivo principal en el diseño de estas bombas es una resistencia completa a la corrosión-erosión cuando manejan ácidos, álcalis y otros líquidos. Facilidad de instalación, operación y mantenimiento. Confianza de operación. Algunos fabricantes enfatizan la facilidad de intercambio.
INDUSTRIAS
QU 'fMICAS
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
acetatos, hidrocarbonos, cloruros, almidones, aceites, etc. Algunas están montadas en bases (Fig. 13-7) otras, que deben manej~r líquidos a temperaturas más altas tienen ~on tadas en bases (Fig. 13-7) otras, que deben manejar líq4idos a temperaturas más ahas tienen mon t.aje en la flecha. La lUbricación por g'r asa es nonnal para temper~turas de líquido hasta de '204 o C. Arriba de ésta, se usa aceite. FlG. 14-1. Bombas quimicas (A) Impulsor abierto. (B) Impulsor cerrado. (Cortesía de Peerless Pump Diuisiun, Food Ma chinery anel Ch emical Corp.)
La Fig. 14-1 muestra dos diseños comunes de bombas
q~ímicas. Generalmente movidas por motor, la bomba quí-
mIca moderna normal es del tipo voluta con succión en el extremo y con impulsor abierto o cerrado baleros de servicio pesado para flecha y un estopero con ven~ional y en algunos diseños, la provisión para enfriamiento por agua del empaque cuando la temperatura del líquido b3mbeado excede de 1500C. Si se desea, puede substituil'se el sello mecánico por el empaque. Algunos fabricantes suministran un adaptador que puede atornillarse a la carcasa, ya sea en el campo, para permitir el cambio de empaque a sello mecánico, o viceversa. La carcasa dividida verticalmente permite el uso de un empaque circular de una pieza. Aun cuando las dos unidades de la Fig. 14-1 son un solo paso, se pueden obtener diseños normales similares para dos pasos. La Fig. 14-2 muestra un sello mecánico resistente a abrasivos que se usan con este tipo de bomba. Las bombas de la Fig. 14-1 se construyen en tamaños de 25 a 153 cm, con capacidad de hasta 76 lps a columnas de 70 m, y temperaturas hasta 316"C. Aun cuando existen naturalmente diferencias en el diseüo de bombas químicas de un fabricante a otro, existen también un número sorprendente de semejanzas. Casi todas las bombas existentes hoy en día son de succión en el extremo, voluta, carcasa dividida verticalmente, y movidas por motor. Los líquidos que se manejan incluyen ácidos, bases, sales,
Bombas de Proceso. Este tipo, aun cuando se asemeja a la bomba química en FIG. 14-2. Sello mecánico para muchos aspectos, se diseña usarse con líquidos abrasivos. (CorgeneraJmente para tempera- tesía de Peerles Pump Diuision, turas de trabajo algo mayo- Food M achinel'y and Chemical COl'p.) res. El mismo criterio de diseño se encuentra sin embargo, en ellas: simplicidad, confianza de operación, intercambio. Con algunos fabricantes hay grandes semejanzas entre el diseño de sus bombas químicas y sus bombas de proceso: como en otros, los dos tipos son completamente divergentes. La Fig. 14-3 muestra una bomba de proceso típica moderna. Es una bomba del tipo voluta con succión en el extremo, de un solo paso, con carcasa dividida verticalmente. La , bomba está soportada en el eje central horizontal para asegurar el alineamiento correcto a lo largo de todo el rango de temperatura de operación a la unidad. Para facilitar la instalación, la boquilla de succión de la unidad en la Fig. 14-3 puede ser vertical u horizontal: La boquilla de descarga es siempre vertical. Pueden usarse empaques o sellos mecánicos. La carcasa del impulsor se hace generalmente extra gruesa, para dar un margen liberal para corrosión y erosión con un factor de seguridad. La Fig. 14-4 muestra el margen usado para corrosión de la carcasa en un diseüo de bomba de proceso. Un fabricante estima que con sólo seis juegos de extremos líquidos, adecuados para montarse sobre el motor, turbina o marco de baleros, pueden obtenerse 111 tamaños y disposi-
386
INDUSTRIAS
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLI<;:ACIÓN
ciones diferentes de sus bombas químicas y de procesos. Combinando estos tamaños con los diferentes materiales existentes, y modificaciones de diseños normales, existen más de 60 000 bombas disponibles. Sin embargo, todas estas unid1:\des están construidas con partes normales. Algunas de las bombas nuevas hoy en día tienen colectores especiales adaptados a los estoperos para colectar y purgar cualquier fuga
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QUíMICAS
387
21 a 70 kg/cm 2 y en capacidades de hasta 44 lps. Cuando se requieren presiones mucho más altas, se usan bombas del tipo de barril (Fig. 11-5). Nótese cómo los impulsores de la unidad de la Fig. 14-5 están opuestos para balancear el empuje axial dentro de la bomba. Se usan chumaceras de mango o
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Presión de trabajo Ib/pulg'
FIG. 14·3. Bomba de proceso para presiones hasta 42 kg/cm", capacidades hasta 82 lps, temperaturas hasta, 120 °C. (Cortesía de Paeifir Pumps, [ne.).
de la caja. Se usan sellos mecánicos dobles para líquidos extremadamente corrosivos o temperaturas muy altas. Aun cuando no existen reglas fijas, la columna desarrollada por la mayor parte de las bombas de proceso y químicas hasta la fecha es alta a moderada: 6 a 250 m de líquido. Las capacidades varían hasta unos 315 lt por seg pala temperaturas hasta 420°C. Servicios en Alta Presión. Las bombas de voluta divididas horizontalmente de varios pasos (Fig. 14-5) se están haciendo más populares en las plantas de proceso y químicas modernas para servicios de hidráulica de presiones medianas y altas. La unidad mostrada puede usarse para presiones ele
FrG, 14-4, Margen típico para corrosión· erosión en una carcasa para bomba de proceso. (Cortesía de Paci.fic Pumps, [ne.).
de balas. Cuando se tiene una rspn limitada, frecuentemente se aplican las bombas verticales de uno o varios pasos al manejo de químicos. Éstas se obtienen en una gran variedad de diseños, con sellos mecánicos o empaques. Las capacidades llegan hasta 315 lps, columnas hasta 305 m temperaturas hasta 204°C, o más. Bombas de Cero Fugas. Las bombas de movimiento magnético (Fig. 14-6) se construyen tanto en diseños hOl;zontales como verticales. Los extremos de movimiento y mojado están completamente separados por un diafragma no magnético. El líquido bombeado sirve como lubricante para la bomba. Este diseño es especialmente adecuado para líquidos peligrosos, tóxicos, odoríferos, extremadamente calientes o fríos o altamente corrosivos. Las capacidades presentes Be-
386
INDUSTRIAS
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLI<;:ACIÓN
ciones diferentes de sus bombas químicas y de procesos. Combinando estos tamaños con los diferentes materiales existentes, y modificaciones de diseños normales, existen más de 60 000 bombas disponibles. Sin embargo, todas estas unid1:\des están construidas con partes normales. Algunas de las bombas nuevas hoy en día tienen colectores especiales adaptados a los estoperos para colectar y purgar cualquier fuga
\
QUíMICAS
387
21 a 70 kg/cm 2 y en capacidades de hasta 44 lps. Cuando se requieren presiones mucho más altas, se usan bombas del tipo de barril (Fig. 11-5). Nótese cómo los impulsores de la unidad de la Fig. 14-5 están opuestos para balancear el empuje axial dentro de la bomba. Se usan chumaceras de mango o
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Presión de trabajo Ib/pulg'
FIG. 14·3. Bomba de proceso para presiones hasta 42 kg/cm", capacidades hasta 82 lps, temperaturas hasta, 120 °C. (Cortesía de Paeifir Pumps, [ne.).
de la caja. Se usan sellos mecánicos dobles para líquidos extremadamente corrosivos o temperaturas muy altas. Aun cuando no existen reglas fijas, la columna desarrollada por la mayor parte de las bombas de proceso y químicas hasta la fecha es alta a moderada: 6 a 250 m de líquido. Las capacidades varían hasta unos 315 lt por seg pala temperaturas hasta 420°C. Servicios en Alta Presión. Las bombas de voluta divididas horizontalmente de varios pasos (Fig. 14-5) se están haciendo más populares en las plantas de proceso y químicas modernas para servicios de hidráulica de presiones medianas y altas. La unidad mostrada puede usarse para presiones ele
FrG, 14-4, Margen típico para corrosión· erosión en una carcasa para bomba de proceso. (Cortesía de Paci.fic Pumps, [ne.).
de balas. Cuando se tiene una rspn limitada, frecuentemente se aplican las bombas verticales de uno o varios pasos al manejo de químicos. Éstas se obtienen en una gran variedad de diseños, con sellos mecánicos o empaques. Las capacidades llegan hasta 315 lps, columnas hasta 305 m temperaturas hasta 204°C, o más. Bombas de Cero Fugas. Las bombas de movimiento magnético (Fig. 14-6) se construyen tanto en diseños hOl;zontales como verticales. Los extremos de movimiento y mojado están completamente separados por un diafragma no magnético. El líquido bombeado sirve como lubricante para la bomba. Este diseño es especialmente adecuado para líquidos peligrosos, tóxicos, odoríferos, extremadamente calientes o fríos o altamente corrosivos. Las capacidades presentes Be-
388
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN INDUSTRIAS
QUíMICAS
389
gan hasta 9.5 lps, las columnas hasta 21 m. Puesto que la bomba no usa empaques, sellos o lubricantes externos, es completamente a prueba de fuga y puede usarse siempre que s~ requiera una seguridad completa de que no existen fugas. Las bombas de motor enlatado o especiales de varios dise-
8
e
FIG. 14-5. Bomba dividida horizontalmente de varios pasos, para usos generales de procesos. (Cortesía de Ingersoll-RaTld Co.).
ños (Figs. 1-16 y 14-7) están aplicándose cada vez más en servicios de cero fugas. En el Cap. 12 se discuten algunos otros diseños que están encontrando aplicación en las plantas químicas actuales. Muchos diseños, desarrollados pa-
FIG. 14-6. Bomba de movimiento magné tico para servicio de cero fuga. (Cortesía de Peerless Pump DiuisioTl, Food M achiTlery aTld Chemical Corp .) . .
Fre. 14-7. Bomba de motores enlatados y especiales. (A) Flujo recto. (E) Motor con entrehierro axial. (CortesífJ de Chempump Corp.). (e) Bomba sellada herméticamente, enfriada por aire. (Cortesía de Allis-Chalmers, Mlg . Co.).
ra aplicaciones de energía nuclear están aplicando también en plantas químicas. Bstos incluyen los tipos de bombas de motor enla tado y electromagnético. Las unidades como la dc la Fig. 1-16 tienen capacidades hasta de 19 lps columnas hasta 59.4 m. La bomba en la Fig. 14-7A maneja hasta 1.5 lIJS a columnas de 6.7 m: la unidad con motor de entrehierro
FIG. 14-8.
Bomba
para manejar ácido fosfórico. WorthiTlgton Corp.).
(Cortesía
de
INDUSTRIAS
QUÍMICAS
391
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
390
axial de la Fig. 14-7B maneja hasta 9.6 lps a columnas de 22 m. Hay actualmente disponibles, bombas de dos pasos y motor enlatado. Bombas de Ácidos y Lechada. Las unidades para estos
damente importantes una cuidadosa selección y aplicación. Cuando no se requieren diseños especiales, se puede disponer de cubrebases de hule o neopreno para la cubierta, carcasa e impulsor. La Fig. 14-9 muestra una bomba recubierta con
Irquido de succión
Descarga
-
~-;.:~ máximo del líquido
FIG. 14-9.
.
Bomba para ácidos, recubierta de hule. (Cortesía de [ndustrial Filter and Pump Mfg . Ca.).
servICIOS pueden diseñarse individualmente por el fabricante de las bombas para llenar un grupo específico de condiciones. Puesto que las condiciones de servicio para las bombas de ácidos son frecuentemente severas (Fig. 14-8), son extrema(o)
(b)
FIG. 14-11. Bomba para metales fundidos. (a) Tipo de sello de purga. (b) Tipo de doble descarga. (Cortesía de Lawrenee Pumps, ¡ne.).
hule, la Fig. 14-10 es una bomba para ácidos y lechadas. Para bombear ácidos se usan bombas totalmente de plomo, de acero inoxidable, de plástico sólido o de hule sólido, se usan también bombas horizontales y verticales. La unidad de la Fig. 14-10 tiene su estopero bajo presión de succión. Ésta es una disposición popular hoy en día. Bombas para Metal Fundido. Además de las unidades discutidas en el Cap. 12, y al principio de este capítulo, existen muchos otros diseños disponibles. En la Fig. 14-11 se muestran los diseños sin empaques para manejar metales FlG. 14-10.
Bomba para ácido y lodo. (Cortesía de Gou.lds Pump , lnc) .
392
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN I NDUSTRIAS
393
QUíMICAS
fundidos. La bomba de la Fig. 14-11a t iene una coneXlOn de recirculación para regresar cualquier fuga del lado de descarga al impulsor del lado de succión. Una caja de e~paque
Tabla 14-1. . Condiciones de operación típicas para bomba en servicio
d e metal fundido o caliente
*
T e mpe ratura D e n sidad
Líquido bombeado
Columna
Lps
Rpm
C (0 1
(bl
788 677 FIG. 14-12. (a) Agitador típico usado en una bomba de flujo axial. (b) Agitador con pasterizador para lavado de botellas. (Cortesía de
Eeollomy Pumps. lne.).
649
(Cortesía de Allis-Chalmers Mfg . Ca.) .
4.6
1.2
J 800
1.43
Sal fundida
14.6
3.1
1800
Bismuto fundido
22.9
3.1
1800
15.1
1500 1200
10.0
538
1.69
Sal fu ndida
510
1.98
Sal fundida
7.6
37.9
454
1.75
Sal fund ida
13.7
1073.0
720
454
1.75
Sal fundida
16.8
568.0
900
454
1.75
Sal fundida
13.7
290.0
1200
Cá ustico caliente
4.9
3.1
900
Plomo fu ndido
2.7
37.9
900
454
Bomba para sólidos de un solo paso SUCClOn al extremo .
Magnesio fundido
11 .0
454
FIG . 14-13.
1.55
2.14 10.6
449
6.0
5.8
3.1
1800
427
10.6
Plomo fundido
19.8
3.1
1800
427
10.6
Plomo fundido
18.a
3.1
1800
427
10.0
Bismuto fundido
6.7
3.1
1200
::l99
10.6
P lomo fundido
6.7
5.4
1200
399
10.6
Plomo fu ndido
18.3
3.1
1800
382
6.0
9.1
0.7
1800
371
11 .34
Plomo fundido
3.7
17.7
720
343
0 .8
Ace ite min e ra l
37.8
145.0
900
254
0.97
Dowthe rm A
7.6
8.8
1800
94.6
1800
189.0
720
Al eación fundida
Aleación fundida
475
1.00
Dowtlle rm A
4.3
127
1.9
Azufre
1.8
INDUSTRIAS
394
QUfMICAS
395
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
abajo del balero superior tiene por objeto confinar solamente los vapores, y no el líquido. Si el líquido se mantiene al nivel mostrado o debajo de éste, solamente los vapores pueden llegar al empaque. La unidad en la Fig. 14-11b no tiene chumaceras o empaques en contacto con el líquido manejado. Se usan dos cuellos de descarga, para igualar el empuje axial sobre el impulsor. Algunas bombas verticales de este tipo general tienen la entrada del líquido en la parte superior del impulsor, en lugar de la inferior como en la Fig. 14-11. Las bombas sin empaque también se pueden obtener en diseños horizontales, pero el tipo vertical es más popular para manejar metales. Algunas bombas para metales fundidos están dispuestas de manera que puede aislarse el pozo de succión o bien proveerse de una chaqueta de vapor, calentada eléctricamente o enfriada por aire o agua. Casi todas las unidades para este servicio son actualmente verticales, de uno o varios pasos. La columna es frecuentemente pequeña. de 1.5 él. 61 m, mientras que la región común de capacidad es de .006 a 1 260 lps. Las temperaturas permisibles varían hasta 816 °C. Los elementos de la bomba deben mantenerse a la temperatura de fusión durante el bombeo para evitar la solidi fica ción. La circulación de aire o unos cuantos anillos de empaques sirven para contener los vapores del líquido mal:ejado. La Tabla 14-1 señala algunos materiales manejados por bombas centrífugas en servicios químicos y metalúrgicos. Agitadores y Bombas de Sólidos. Las bombas horizontales y verticales de flujo axial y de impulsor se usan frecuentemente para servicio de agitadores o mezcladores, ya sea por conexión a una tubería o provistas de un cono vertical a través del cual se eleva la mezcla. La Fig. 14-12 muestra instalaciones agitó.doras típicas usando hombas de flujo axial verticales y horizontales. Las hombas de sólidos (Fig. 14-13) están diseñadas para manejar soluciones que contienen grandes cantidades de materiales abrasivos en suspensión . La unidad que se muestra es adecuada para soluciones tales como "gypsum", pulpas químicas, residuos de cinc, dolomita, hauxita, etc. Es una unidad de un solo paso succión por el extremo hecha de aleación especial fundida . Una placa de desgaste de succión se mantiene en su lugar por medio de tornillos que se extien-
den a través de toda la pared de la carcasa. Las capacidades de esta unidad varían de 11.0 a 630 lps, y las columnas son hasta de 43 m. La Fig. 14-14 muestra una bomba muy interesante desarrollada en Argentina para las industrias químicas y sus auxiliares. Manejan pastas, pulpas y sólidos en suspensión, así como líquidos claros. Está provista con dos impulsores de rotación inversa y de dobles hojas, y maneja 11.9 lps a 30.5 m cuando gira a 3 400 rpm. La unidad que se muestra tiene 102 mm de diámetro y 30.4 cm de altura. Bombas de Turbina. Las bombas de turbina regenerativas de succión lateral, montadas en el extremo de un solo paso (Fig. 1-17a), encuentra muchas aplicaciones en plantas químicas para manejar ácidos, acetatos, sales, propano, butano, etano, freón, etc. Las capacidades usuales varían de .3 a 6.3 lps a presiones diferenciales de 17.6 kg/cm 2 • Se pueden obtener en una gran variedad de materiales FIG. 14·14. Bomba de construcción para diferentes líquidos. contrarrotatol'ia Se usa ya sea empaque o sellos mecáni- (Cortesía de Manque cos para evitar fugas en la flecha de estas Industries Co rp.) . bombas.
BOMBAS ROTATORIAS Para capacidades de pequeñas a moderadas hasta 15.8 Ips y presiones hasta de 42 kg/cm", son muy populares las bombas de tornillo simple (Fig. 14-15) para gran variedad de cáusticos, ácidos, colorantes, solventes, jabones, látex, resinas, etc. También se encuentran bombas de dos y tres tornillos para este tipo de servicio. El diseño de tornillos simples se prefiere cuando se manejan semisólidos, porque no los rompe. Con materiales y construcciones especiales esta bomba puede desarrollar presiones hasta de 70 kg/cm 2 •
396
FIC . 14- 15.
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
INDUSTRIAS
QUÍMICAS
397
Bomba de un tornillo para aplicaciones químicas. (Cor tesía de Robbins and My ers, lne.).
Las bombas sin engrane de impulsor de neopreno (Fig. 14-16) son populares para presiones y capacidades bajas. La columna máxim'1 desarrollada es de alrededor de 2.8 kgjcm": la capacidad asciende hasta 3.5 lps. Los otros tipos de bombas rotatorias que se usan en el campo químico incluyen las de engrane interno, lóbulo, aleta oscilante, tubo flexible y aleta de rodillos. Ver. Cap. 2 para datos más completos sobre bombas rotatorias. FIG . 1416. Bomba con impulsor de neopreno sin engranes. (Cort e.~ía de Jabseo Pump Co .) .
BOMBAS RECIPROCANTES
Las bombas de volumen controlado, de medición y de propvrción (Figs. 3-9 a 3-12), encuentran su uso en los procesos químicos y metalúrgicos en donde deben entregarse pequeñas cantidades de líquido. Para gastos mayores, son muy populares las bombas de diagrama de diferentes diseños. Las Figs. ,'3-14 a 3-16 muestran algunas unidades típicas. Las bombas de diafragma operadas por aire (Fig. 14-17), encuentran mucho uso en las plantas químicas y metalúrgicas para manejar lodos, lico res , ácidos, cristalinos, etc. Las unidades de baja velocidad que operan de 15 a 30 golpes, y están construidas en capacidades de .3 a 3.8 lps y en presiones de hasta 7 kgjcm". Un mecanismo de tiempo I , una válvula de solenoide 0 , y una válvula W de tres vías operada por
FIG. 14-17. Bomba de diafragma operada por aire controlada por medidor de tiempo opera con 15 a 30 carreras por minuto para capacidad de 0.03 a 3.8 Ips, presiones hasta 7 kg/ cm 2 •
diafragma-resorte constituyen el control para accionar el diafragma D. La presión del aire se mantiene de .35 a .7 kgjcm~ sobre la requerida para ope~ar la bomba. Esta bomba, que es de acción simple, tiene un flujo intermitente que puede hacerse continuo por medio de una cámara de aire en la descarga. Se necesitan de 1.8 a 3.05 m de cspn para llenar la bomba , dependiendo del tamaño del tubo y de la viscosidad del líquido. La bomba de diafragma de la Fig. 14-18 desarrolla 21 kgjcm" cuando maneja de 0.47 a 1.9 lpm. El líquido bombeado se encuentra en el lado izquierdo del diafragma D, mientras que el aceite o fluido hidráulico que transmite el movimiento del pistón P al diafragma se encuentra a la derecha. Como comparación, la bomba de la Fig. 3-16 maneja 18.4 lpm a 5.6 kg/ cm" a 200 rpm; 37.8 lpm a 430 l'pm . A velocielades menores de 200 rpm, la bomba puede operarse a 8.8 : kgj cm". Las bombas l'eciprocantes mayores, son ~eneralmente uni-
398
I NDUS TRIAS
BOMBAS _. SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
químicos son corrosivos, abrasivos (' altamente alcalinos. De tal manera que los materiales de construcción son de la mayor importancia. Ver Cap. 6 y el presente para det?lles. Motores: Los motores eléctricos son los más comunes, siguiéndoles las turbinas de vapor. Hay que elegir la forma de movi miento, sólo después de una investigación completa de las condiciones atmosféricas que rodean a la bomba. No debe pasarse por alto el hecho oe que, el líquido manejado puede ser peligroso, o que la bomba puede operar por largos períodos o cerca de su punto de corte. CSPN : Algunas bom-
dades del tipo de potencia, de aleaciones especiales, porcelanas, hule duro, etc. Algunas bombas de metal están provistas con cilindros resistentes al ácido, de porcelana, así como émbolos del mismo material. La Fig. 14-19 muestra una bomba de potencia triplex de alta presión típica para usarse en
... ' t .
I
399
QUÍMICAS
.
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(a)
Bomba de alta pre· sión , ope ra con dos fluidos : de bombeo y de operación.
FIG. 14-18.
Bomba de potencia, a lta presión triplex. (Cortesía de Kob e, [ne) .
Fre. 14-19.
aplicaciones químicos y de proceso. Las aplicaciones químicas 1ncluyen el manejo de ácidos , pinturas, ahrasivos, etc. Se lección de Bombas. Capacidad: Determinar la capacidad, según las condiciones del proceso. Cerciorarse de que se conoce la capacidad, temperaturas y viscocidad exactos. C olumna: Puesto que muchas bombas químicas y de proceso tienen una región de columna relativamente angostó., es extre-. madamente importante que se determine exactament.e la columna requerida. Ver Cap. 4. Mat eriales: Muchos líquidos
(b)
Fre. 14-20. (a) Conj un to comple t.o de bomba d e cristal y su motor. (b) Otro diseño de bomha de cristal . (Co rtesía de Nas h Engine-
erinR Ca.) .
400
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
bas típicas requieren valores extremadamente altos de cspn. De manera que hay que asegurarse de que se conoce el valor exacto requerido para la bomba elegida, y disponer la tubería de manera que se asegure la cspn más alta, obtenible en todo tiempo. Control: La estrangulación de la descarga de la bomba, es quizás el método de control más común para bombas químicas y de proceso, debido a que éstas están generalmente diseñadas para operar a velocidad constante. Empaque: Las cajas de empaque deben ser de profundidad generosa, con provisión para el sellado de empaque de las bombas de líquidos calientes por medio de agua fría u otro líquido adecuado. Úsese un sello mecánico simple o doble para la flecha cuando se requiere evitar fugas positivas. Puede también requerirse collarines del tipo de retención y camisas de agua o vapor. Ver el Cap. 9. Número de Bombas: En los procesos químicos usuales, se usan pocas bombas de reserva, debido a la facilidad de obtención de las unidades modernas. Cuando la falla de una bomba haya de causar paros muy costosos, úsese una bomba de reserva. Camisas de Vapor: Hay muchos tipos de bombas para usos químicos que pueden suministrarse con una camisa de vapor integral, si se desea. Las camisas se usan con líquidos viscosos, y cuando es necesario mantener el líquido bombeado a un cierto nivel de temperatura . Otros Tipos. Las industrias químicas y de proceso usan gran número de bombas para suministro de agua, generación de potencia, eliminación de desperdicio, protección contra incendio, refrigeración , etc. Estas bombas se discuten en otros capítulos de este libro. Las bombas de chorro, de vapor o aire que operan bajo el principio de un eyector, encuentran aplicación en los casos en que otro tipo de bomba es inadecuado, o cuando se necesita una acción de mezclado y bombeo combinado. Bombas de Cristal. Estas (Fig. 14-20a y b) manejan una gran variedad de ácidos, jugos de frutas , leche, etc. El cristal resiste todos los ácidos, y composiciones excepto el ácido fluorhídrico y el ácido fosfórico glacial. Las bombas de cristal no se recomiendan para manejar soluciones alcalinas. Las unidades en la Fig. 14-20 tienen impulsores y carcasas de cristal, en tanques planos, y un resorte de metal en cada tornillo de la carcasa. Los resortes absorben los choques, evitando que las partes de cristal pyrex se rompan fácilmente en la bomba.
e A P f TUL o
15
PAPEL, TEXTILES Y HULE
Los molinos de pulpa y papel, usan casi exclusivamente bombas centrífugas en sus operaciones de procesos. Para alimentación de productos químicos se aplican algunas bombas reciprocantes, y algunas bombas rotatorias para usos hidráulicos, particularmente de aceite. Sin embargo, su número es pequeño comparado con las bombas centrífugas. Tipos de Bombas. Puesto que las bombas centrífugas en molinos de pulpa y papel, manejan una gran variedad de líquidos -desde agua clara hasta ácidos, cáusticos, licores, pastas yagua blanca- hay un número de unidades que se
Fra. 15-1. La bomba para pasta de papel con succión al extremo , carcasa dividida diagonalmente, tiene un impulsor abierto del tipo no atascable. (Cortesía de Worthington Corp.) .
construyen para trabajos específicos en estas instalaciones. Algunas se parecen o son idénticas a las bombas químicas descritas en el Cap. 14. Éstas son unidades montadas en marco ele un solo paso, succión por el extremo, con carcasas divididas vertical o diagonalmente. Las unidades que manejan pulpa con una consistencia mayor de uno p,or ciento por peso generalmente se les llama bombas ele pa~ta de papel
PAPEL.
402
TEXTI LES
Y
403
HULE
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
~amente constan te, independiente del cambiQ de la columna de' succión~ En el Cap. 6 se muest ran otros dos tipos de bombas para pulpa de papel de diseño moderno. Las bombas verticales se usan frecuentemente para ahorrar espacio de piso.
Fw'" 15-2. La bom ba ele la Flg. 15-1 con la tapa de la carcasa quitad.~. N ótese el acceso para la mano en el cono de succión . (Cort esía de Worthington Co rp.) .
y tienen impulsores especiales (Fig. 1-24E). Las Figs. 15-1 y 15-2 muestran dos vistas de una bomba de pasta papel con una carca;>Uividida--diagonalmente. Está diseñada. para man'~jacpulpa al ·sulf-ato, a la sosa, kraft y desperdicio hasta: - G.~ por.. .ciento . de consist~nciaJ En casos especiales se puede 'úsar para consistencias más altas:! Una característica columnaca pacidad sumamente inclinada asegura un gasto aproxima-
(a)
(b)
FIC. 15-4. Bomba de a limentador de to rnill o para entrega r pulpa d e alta consistencia al molino de pulpa . (Cort esía ele Byron Ja c/¡ so/l. Ca.).
FIG. 15-3. Bomba de ap licación ge ne ral de l tipo de proceso que mane ja 6 lps de agua de reposición e n una fábri ca de papel. (Cortesía de De Laval Steam. Turbin e Ca.) .
Otras características de las bombas modernas para pulpa incluyen un mínimo de uniones de carcasa pa ra reducir la posibilidad de fugas, empaques de me ta l renovables para ambos lados del impulsor, una varieda d de diseños de impulsor, el uso de un impulsor auxilia r para asegurar un buen flujo de succión y el revestimiento de la carcasa y del impulsor son
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
404
hule para dar mayor vida a las partes de las bombas que están en contacto con el líquido manejado. Cuando el líquido que se maneja es agua clara, otros líquidos neutros no abrasivos o corrosivos, las bombas normales de aplicación general, tales como las descritas en el Cap. 17, se usan ampliamente. La Fig. 15-3 muestra una instalación típica. Las bombas de impulsor del tipo de codo, horizontales de un paso se usan en plantas en que prevalecen condiciones de gran volumen y baja columna, como en las de proceso de cristal y sulfa to de amonio y otras) La bomba se instala en el lugar de un codo, reduciendo los costos de t uberia. Las bombas de alimentador de tornillo (Fig. 15-4), están diseñadas para introducir pulpa de alta consistencia en la admisión del impulsor de las bombas de pulpa. Éstas impulsan la pulpa a través del tubo de succión de la bomba, eliminando la formación de bolsas de aire o atascamiento. Cuando se usan con la bomba alimentada por tornillo, la bomba de pulpa normal maneja pasta hasta de 8 por ciento de consistencia, mientras que las bombas de pulpa de aplicación especial pueden manejar hasta 8 y 10 por ciento de consistencia. Los alimentadores del tipo de paleta se usan también para este servicio con pastas hasta de 8 por ciento de consistencia.
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Bombas de Proceso para Servicio de Fábrica de PapeL * (Continuación)
Tabla 15-1.
Líquido Manejado
Servicio
Regaderas de limpiadores Pulpa a rej illa fina .... Regadera..c;; para rejillas fina. Pulpa de rejila a camas
IAgua Pulpa Agua Pulpa Regaderas de cama .. . .. . Agua Pulpa de camas a batidores Pulpa Pulpa de camas a máqui- Pulpa na mojada ..... . .. . Licor negro al tanque Licor
Tipo de bomba
blanca 1-2% blanca 1-2% blallca 3-5% t 2-3% negro
Tipo de impulsor
1,2 3 1,2 3 1,2 3 3
Cerrado Cerrado-abierto
3,4
Cerrado
3,4
Cerrado Abierto
3,4
:104
I
Aditamentos
D C C B C B C B
Cerrado
Cerrado-abierto Cerrado Cerrado-abie rto Cerrado-abierto
C C S
Abierto S
Observaciones
12 Be (Acero inoxidable 316 si está caliente) Caja de empaques enfriada enfriada por agua para temperatura arriba de 93°C Caj a de empaque enfriada por agua para temperaturas arriba de 93°C
Molino de papel Pulpa
de
batidora
pJl;~ad:Sjo~d;;;"
a
losl Pulpa 2-4%
V~~-l~~¡'
;" Pulpa 1-2 % Pulpa de máquina a caja Pulpa 3-4% de cabezal . . . .... Bomba de ventilador Pulpa 004-0.9 % Samba de ventilador
Pulpa 0.4-0.9 0/<
Regaderas de máquinas .. Agua blanca Eliminación de agua blanca Agua blanca
3
Cerrado -abierto
3 3
Cerrado-abierto Abierto
C C C B
3
Cerrado-abierto
C
3,1
Cerrado
C
1,2
Ce rrado Cerrado
S
1,5
Curva, columna - capacidad
muy inclinada
Para capacidades de 126 lps o nlenas Para capac ~dade :; de más de 126 lps
1. Bomba de voluta de UD solo paso, doble suoción dividida horizontalmente; capacidades 1.9 a 15775 lps o más; columnas hasta 145 m . 2. Bomba acoplamiento estrecho de un soLo paso. succión al extremo dividida verticalmente, capac idades hasta 1SE, lps, columnas hasta 167 In. 3 . Bomba ' para pulpa de madera de un solo paso, succión a l extreIno dividid.:a v.erticalmente. con paletas alabeadas o bomba vertical de un solo paso, succión a l extremo, descarga lateral para pulpa de papel; capacidades 11-631 lps; columnas 83 m. . 4. Bomba tipo voluta de un solo paso con succión lateral dividida verticalmente, montada en pedestal, o bomba de un solo paso , succión lateral dividida verticalmente de doble voluta montada en pedestal, :apacidades de 1.2 a 82 lps , columnas hasta 79 m . 5. Bomba de un solo paso. succión al extremo dividida verticalmente, montada en pedestal; capacidades hasta 221 lps, cohmmas-hasta -161_ m. 6. Bomba de un solo paso. succión a l _extremo montada en pedestal tipo voluta, recubierta con hule; capacidades h asta 151 lps , colulllnas hasta -SO rn . A . Bomba totahnente de bronce; B. bol)'\ha con. adita.ol.entos de bronce; rro; S. boD'lba de acero inoxidable; R. bontba recubierta de hule.
C . bomba totahnente de fie-
t ~:rm::.j~ &~!:=l:s.~~.;C:%I:rn.irs _ M~ !i:a " bomba~' DOnnal _,!_ ..._ .. _. ..:...t_ . .-=-,. ..... :' .a--.......::I_.....
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FIG_ 15-6_ Combinaciones múltiples de bombas usadas en fábricas de papeL P uede moverse más d f' cuatro bombas con un solo motor. Puede usarse también movimiento por banda. (Cortesía de Economy Pumps, [nc .).
...o -.J
't'
•
PAPEL ,
TEXTILES
409
HU ·LE
Pérdidas de Fricción en el Tubo para Agua.
Tabla 15-2.
Para el Se1'V1CIO de descortesado molido, en donde se . muneja agua relativamente clara. y fria con presiones y capa.. cid des medianas a {,~ltas, se usan bombas del 'tipo volutEl. normales divididas horizontalmente , (Fig. 1-15), para otros servicios, . tales cOIllo alimentació~//de calderas, proce¡¡¡os generale.s, atarjeas, .suministros de;;.,agua y protección' .co~tra inc.:'ndio, las bombas descritas bajo estos títulos en otras parte~ del libro serán las usadas. En molinos de papel ' y pq.lpp. se ,nplean muchas bombas de. medición y' proporción para .COl< mI del pH de .la pulpa, medición de colores, adición de res las, control de emulsificaci6n de la resina, etc. Ver el C '~ . 3 para det8.nes ~obre estas bombas. Las bombas rotatorL.s· de un ; soio . tornillo (Fig. :14-15), se usan frecuentemen te para en,tregar los materiales colorantes en las fábricas de papel. " . . . Selección de lJom~as. La el~cc~ón de bombas para plantas de pulpa y papel varían considerablemente de' un proceso o: (JU'O y, en menor grado, de un ingeniero otro. La Tabla t5~ ;' resume las recomendaciones, de un. fabricante 'de bombas. ~ st(J señala' ,el ~ serVicio! líquido manejado, tipo de},>omba e imp 1lsor, materi~les deconstruc~ióp .Y. otros dato.s pertinen~ tes para 45 usos diferentes en plantas de papel. . P!1ede usarse con toda confian~a para la mayor parte de las :.i~stalaciones. CUi.
(Tubería de duela de madera en buenas
,
Flujo ¡p,
Diam mm
.'
51 51 51 51 51
\'
a
~
Y
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y . APLICACIÓN
40
1 '. '
J.
,
:.
'.,W'l'
Velocidad m por seg
.0.61 .0.765 .0.939
1.26 1.6 1.9 2.2 2.5
1.02 1.02 1.02 1.02 1.02
6.3 9.1 12.6 15.0 17.4
153 153 ,
25.2 31.6 37.9 44.2 50.5
153 153 153 .
Pé.r didas de fricCión m de .lIgua por 100, m .de tuoo
1.27
.0.768 1.13 1.54 1.87 2.12
".0.046 .0 ..097 .0.180 0.268 0.336
.0.8.0 1.6.0 2.¡ro 4.0.0 5.00
1.36
0.143 0.235 .' .336 0.457 . ' 0..579'
1.40 2.20 3.00 4.00 ' .5.00
D.3~6
1.7~5
I
Colwnna de v.!,locidad m de agua '
,
.0 ..03 .0.045 .0 ..067 .0.094 0..125
1.11
'.
c~ndiciones) .
2 ..08 2.44 2.7,6
1.2' 1.8 2.6 3.5 4;5
.'
2.03 2.03 2.03.. 2.03 203
75.7 82 ..0 88.3 94.7 101..0
2.31 2.51 2.73 2.94 ' 3.14
.0.488 .0.579 .0.67.0 .0.762 .'
2.6.0 3.OQ . 3.5.0 4.00 4.5.0
254 254 254 254 254
88.3 " 101..0 113.6 126.2 138.8
1.74 . 2.04 2.18 2.44 2.68
0.232 ' .0.336 . .0.366 .0.457 .0:549
1.2.0 1.6.0 1.8Ó 2.20 ' . 2.60
.0.91 1;34
.0 ..064 0.137 0..24.0 '
.0,3.0 .0,60 1.0.0 2.0..0 2.&0.
3.05 3.05 3.05 3.05 3.05
• ~
t
63.1 94.7 126.2 · 189.3 ,.; 227.2
1.77 2.6.0 3.14 .
.0.518
0..762
,-
f.:,
410
...'L
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
~
P;.t.PEL,
!~, ;
TEi,TI¡;\ES
Y . H , t¡iL :E
Tabla 15' 3. Capacidades para Pulpa de Papel. *
Tons por 24 hs 10
20 30 40 50 60 80 100 150 200 250
Consistencia secado al aire t 0.5
21.01 42.02 63.20 83.92 105.~
126.0 167.8 210.1 315.5 420.2 525.6
1:0
1.5
,
I
10.5 21.0 31.5 42.1 52.6 63.2 83.9 105.2 157.7 ,210.1 263.1
7.0 14.0 21.0 . 28.0 35.0 42.1 . 56.1 70.1 ' 105.2 . 140.2 174.8
-
2.0
5.3 10.5 15.8 21.0 26.2 32.6 42.1 52.6 78.9 105.2 131.2
2.5
3.0
3.5
4.0
4.21 8.4 12.6 16.8 21.0 25.2 33.6 42.1 63.2 84.1 105.2
3.5 7.0 10.5 14.0 17.5 21.0 28.0 35.0 52.6 70;1 87.7
3.0 6.0 9.0 12.0 15.0 18.0 24.0 30.0 45.0 60.0 75.1
2.6 5.3 7.9 10.5 13.1 15.8 21.0 26.2 39.5 52.6 65.6
FIG. '15.7.. Cam~iador de caIQr :y . bomba. diseñadQspara producir ~ri flujo . contmuo de ; goma ,a las cortadoras. (Cortes(a de Scott áTíd . :' Vl(illiams Ine.) . •'. . ~:
• Cortesía de Buffalo Pumps, Ine.
t Consistencia' de se.cado al aire 10% mayor que consistencia de hueso seco:Lá pulpa 'hueso seco al 1% ~ Pulpa secada al aire 1.1%. . 1.05 (toneladas por 24 hi-) . Lps= · t·enCla · secad . to) , .conSlS o ai"alfe ( en por CIen
típicas incluyen: pozo de soplete a las lavadoras, suministro a la cabeza de las máquinas, proporcionado de la pulpa, suministro de refinado y servicios de bomba de ventilador. Empaqr1,e: Se usan ya sea empaques n:ormales o sellos mecánicos. Lo~; sellos mecánicos se están apliéando .cada vez más en muchos ' ~ervicios debido a que eliminan el 'reempacado. Cuando se 'usa empaque normal, ha,y que suministrar una conexión de sello externo para mantener la: pasta fuera del empaque. Número de B9mbas: Generalmente se usa una bomba por servicio" sin reserva. En algunas aplicaciones críticas, . puede usarse una bomba de reserva pero esta práctica se. es~ tá abandonando cada vez más. en las instalaciones más modernas. Las , disposiciones de bombas múltiples ;con cuatro o más bombas para diferentes serviCios, movidas por un solo motor se usan con frecuencia '(Fig. 15-6). Tubería : Se usa tubería recubierta con dala de madera o con hule en algunas instalaciones para líneas de 15 cm y mayores que manejan agua, agua blanca, pulpa, etc. La tubería de acero, sin embargo, es también muy común. Cuando se calculan las pérdidas
.
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•
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por fricción iiay. q~e a~¿~rarS'e de que J~ellsaníos datos correétos: La Tab~a 15~2 señal~' pé;didas PÓ~;:.fricc)6~ para tubería tiplCa recubIerta mteriormente con dal~tfe ma4era. Ver Capitulo 6 para tubos de acero, soldadu~:;},spira(Y"de asbesto cemento. ' "J;;{f. . I
_
Lubricación: Las bombasverticales ;~ara .pulpa están g~_ i·
neralmente. provistas de chumaceras inferiores lubricadas pOI' agua. Una línea de agua separada, provista ' de 'una válvul~ de solenoide interconectadEbcon el circuito del motor y di~. puesta para operar cuando;:~se arranca :la bomba, es , normal ~ebe también usarse un.'
,.
.
\
412
BOMBAS - SU
-
sÉLEccI~N ~
y
APLICACIÓN
i'
FIG. 15·8. diversos ma~ria:les, estas bo~bas estAn di· seAadas para manejar' latex y muchos otros líquidos. rCortesfa ,de Tri:Clover Division, Ladish Co.). '
, Capacidad: Para convertir de ,toneladas de pulpa de papel en . 24 h a lps, úse~~ la Tabla 15-3~~ntrese a la ' izquierda con . la capacidad entoneladas y proyéctese hacia la derecha hasta .1a columna qe consistencia apropiada. Aquí léase el equivalente en gas~Q; en,lps. Por ,~j~mpl(), 40 toneladas en 241'h de pulpa con consistenCia al airesécode 3.5 por cieitto esequiv~lente a 12 lps; ' ', ,., !
' fdANUF ACTyRASTEXTILES
"'" . . "
'
\ ..
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'
,
',
. , ' ,',
,.'.", Las bombas de '~bricas textiles manej~n una. gran vari~ dad de líquidos comunes. Éstos incluyen agua, 'colorantes,.,sul. furos de carbono, ácidos, sosa "cáustica, acetatos, solventes, sosa comercial, alcohol, ' decolorEuites., peróxid'o , ~~' hidrógeno, sales, engomados,'y butano. Algunos' ,procesos, RQi: ejemplo' la producción de fibras sintéticas ,requiere control: extremada,mente cuidadoso de las condiciones, de bombeo:' En esta aplicaCión particular,la presencia ,de , materiaex~rafia puede alterar el color de la fibra: dem~nera , que ~s es~ncialuna : li bertad absoluta', de productos de: coi'rosióri jo . de: erosión . .La elección de ál~aciones '· de alta, ,éaÍídad pará,: construcción de bombas :puede ':pues .justificarse."en, este sel"Yicio: , Toda clase ne bombas se usan en ¡as instalaciones textiles modernas. ,(; ' Se usanniüchas bombas de m'edición y proporción en las apliCaeiones "fuxtiles para maneja;: las soluciones de ,decolo-
PAPEL,
TE'XTILES
y
HULE
413
ración, control de pH del agua de lavado del rayón, control de color en el ,tet'íido, carbonización de la lana,tetc. Ver Cap. ,3 pa~a los , detalles ' de los diversos diset'íos de : este tipo. La. FIg. 1?-7 muestra una unidad diset'íada para suministrar flUJO contmQo de ,aderezo a las cortadoras. Esta unidad consiste de u~ , cambiador de calor y una bomba triple similar a la de la FIg. 16-4. La bomba tiene una capacidad nominal de 9.46 lps. F.re,cuentemente se usan bombas rotatorias de un solo tornillo para manejar los colorantes textiles: así como los aditivos para rayón y nylon. . Aplicaciones de Bombas. Las bombas centrífugas se aplican extensamente en los, departamentos de proceso y manufactura de todo tipo de instalaciones textiles. Cuando se maneja agua y otros. líquidos limpios y fríos, no corrosivos, se usan ??mba,~ de diset'ío general de va~ios .tipos (Cap. 17). TambIen se usan bombas del tipo de proceso (Gap. 13). Para ácidos y bases, incluyendo materiales tales' :como engomad,o caliente se usan bombas del tipo químico· (Cap. 14). Alguno~ diset'íos tienen estopero trabajando , bajo presión ele SUCCIón y usan un impulsor semiabierto con cuñero, similar al de la .Fig. 1-24B. Para bombas en secciones ·distintas de las de proceso de una instalación textil, ver los diferentes capítulos en este,libro, .que tratan de ellos. Par~ bombas de proceso úsense los datos qtJe se dan más adelante. Algunas bombas de licores de tet'íido tienen una válvula de cuatro guías, que permiten la inserción del flujo en lact,1ba ~:'sin parar la bomba. Para manejar la tex, . las bombas. tienen ' adi tam.en tos especiales para desarmarse rápidamente y éstos·' ~e . usan frecp.entemente para permitir un limp~ado fácil. EIiJ~,as unidades s~n s~mi1ares o idénticas alas bombas centrífugas: del tipo samtarIO (Cap . .16) •. La .Fig. 15-8 muestra .una bomba típica ~iseñada pa.ra manejar latex. · . . ' ' :. ' Columna y Capacidad:, En las inst~lacio~e~ , te;xtiles se usan cQlumnas de bajas a medianas, y la presión ·req!lerida raram,ente excede 14 kg/cm 2 • Las capacidades pueden ser de me. dianas a grandes, .dependiendo de la aplicación~ Materiales: En instalaciones textiles se usan ablandadores de agua de zeolite, que dan una agua suave que se maneja muy fácilmente en bombas con aditamentos de bronce. Para otros líquidos, ver Cap. 6. Movimiento: Los más comunes son los motores eléctricos, ' aunque en las plantas ' grandes se usan . también turbinas de vapor. Las bombas de miotor enlatado
. 414
,:'
BOMBAS - SU SELEqCIÓN y APLICACIÓN
están creciendo en popularidad en el campoltextil. Algún día encontrarán uso extensivo ·como bomba$ de' circulación de licor de cubo .. CSPN: Suminístrese suficiente cspn, especial~ mente con engomado caliente y los similares. Control: El tipo común de' control de bombas es por estrangulamiento de la descarga en este servicio. E mpaq ues: Son populares los · empaques de tefb~ ; y sellos mecánicos; dependiendo del líquido manejado. Número de' Bombas: Generalmente "una por servicio, con relativamente pocas unidades de reserva.
PROCESO Y MANUFACTURA DE HULE
en
Las bombas la industria del hule manejan un gran , número de líquidos"diferentes, incluyendo 'solventes, aceites s1iavizadores, ' sosa ~ cáústica, pigmentos, licores, latex, ácidos, butadieno, estirerío, salmueras, catalizadores, soh1ción de jabón, modificadores, etc. Las bombas centrífugas encuentran muchos usos en los casos de grandes .gastos a presiones bajas o altas. Las bombas reciprocantes de 6edición y proporción se aplican en ·flujos pequeños a presiones altas. Los usós tí: picos incluyen rellenos de medidores, lubriéantes y otros in~ gredientesde composición. Manejo de gelatinas y óxidos, con~ trol de flujo de butadieno y estireno, etc. En la producción de aceleradores de huJe se usa una bomba reciprocante de carrera ajustable duplexa 70 kg/cm 2 .Está provista de un motor de -velocidad variable. Las bombas 'rotatorias encuen- . tran también uso para muchos servicios, Las bombas para proceso y manufactura del hule se eligen de mane~á muy similar a las de papel y plantas textiles y químicas. Ver las clasificaciones dadas en éste y otros capi~ tulos del libro. Las bombas de medición yproporción manejan butadieno, es't ire'no, ' gelatinas de fluoruro; ÓXIdo de cinc, rellenos, lubricantes ' e ingrediente de composición en la producción de húle sintético y natural. Las bombas rotatorias de un solo tomilfédé usan para manejar cemento de hule y sol- . ventes. '(' ~:'?, ~'~i
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PROCESO y MA:NEJO ,< ~ :; II I\ ..
tiif ALIMENTOS .
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LLas bombii~ sani~ar!~:~;'.' están di~eftad~S::)~Specíficariien te ·para manejar álimentos. ;~stas tienenf¡'ecu:eit,i~mente muchas cara6terísticas especiale$.,titie no son neces~riatí ert otros tipos de servicio. Para poder;';t.'Ierviren fÍplfd'aciori¿á de aiiin~nt6s . una bomba de:pe: (1 sJt>~itamente . ré~isten't~;:a la cotr~ión, (2) fácil de d~sarmaf'~Para>su limpiéia; ' (3Y: fió debe triturar '. el alimenta o \Pro,duc~r.:;e~puma, (4). .t ener '. un sistemá. ·de lubricaCión .:absblutamentt( estanco, (Bf" estar', .l ibre de p"artes sujeta's a desgaste o frotamiento durante su ,operación;:? (6) tener empaques positivamente sellados :deLinterior de 'lácar-' casa, y (7) tei;ler pasajés'= internos efiliA carcasa que ~ean tersos y libre~ de esquinas 'abruptas o¿!imbios pronunciados en
r
~~i~~~c~~iran nú~~rl ~e bomba~ c~~t~fligaS, rota;~ri~~
su y reciprocant<:s para usos ' sanitarios; que llenan estos ,re(¡¡uisitos, Muchas están pr0vistas de con'e xionessanitarias en las boquillas de succiónyd~déscarga de!manera 'que el impulsor y la carcasa pq.eden quitarse fácilmente para sulimpieza.i Las . tuberías ,y accesorios que "se usan .con la's)' boro . " t rias , era men e son e acero inoxidable. 'aleacionei de níquel, nule duro, cn~
_
1"4';
/'
..
416
80~BAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
P~OCESO
y
~NEJO
DE
ALI!4EN~S
417
m
y columnas hasta '61 según datos de un fabricante. Un solo diseño de bombas cubre esta .región, simplificando la selección. La mayor parte de los grandes ,fabricantes tienen un diseño de este tipo. ~s bombas centrífugas, ele tipo quírn!.<;Q (Fig. 14-1), se usan\también para alimentos, que tienen .oajo contenido .de sólidos. Sin embargo, .su uso se, confina generalmente a aiimentos corrosivos. La Fig. 16-2 muestra una bomba sanitaria provista de un impulsor del tipo dé tornillo, diseñado paraelimi,nar grietas y .bolsas. Las unidades , de este diseño se suministran ya sea como bombas montadas sobre pedestal ode acoQlamiento estrecho . .Pueden. estar provistas por IJ,n sello de collarín removible, un sello rotatorio enfriado por agua, o un Ii!~llo de car"
I
. ,\
FIG. 16-1. Bomba centrffuga ~dél tipo proceso 'que maneja ul)a varie. dad de alinwnto8. (Corte.tO.' de De Laval , Steam Turbine Ca,) .
. tunas~ ' col de brusela~~ jug,q.:,de frutas y ~u~hos otros alimentos pueden InD.' ejarse con~eguridad porimpulsor~s sin paletas. Las bomb ..3 c.e ntrífU¡ .a s .,del tipo .de ,proceso' (Fig .. 1.6-1 Y el q~..:._J,4) ci~.. puede . obtener para muchas . alImentos ti~nen \1. bajo : "ldo"de' s 6lIaos:' Jugo J
.
que'
FlG. 16·3.
ca '"
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)
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. .•. '
J,'"
sanita~iP. típica provista de im. pL:Jsor de to r, ]o..: (C~~~esía.c;le Tri.CIoI{~r p:i.v.isicm, Lqdish b o.) .
¡:'w . .16·2. ' Bom1)a centrífuga del tipo
( '
"
Cabeza desarmada de .· la bomba de j a Fig. 16-2; (Cortesía "',d~ Tri·Clover Division, Ladish Co.)'.
bón inerte. '8; construyen en capacidades hasta de 63 lps y columnas ' hasta de 66.1 m para ~ znan~jar leche, tomates, zanahorias en , cubos,sop~s y conc~~tradospara ~sopas. La columna de bombeo y todas sus pal1;es deben~star hechas de acero inoxidable u otras a:leacio.nes adecuAdas~ Los movimientos rec.orit~ndl:ldo~ incluye~ mdtores"tu~bÍIias . y máquinas de combiistióri interna, ya sea conectadas directamente O por' banda> . ; . Otros disertos ,populares de bombas para manejar alimento's se muestran en las Figs. 6-12, 6-13, 15-1 y 15-2. Estas . uriidádesse ~s.an para irtasas, pulpas, sólidos, etc: ~ltas céritrífugasj5¿iftá tile~ .~éúEmtra:n tambien "'ilIgUñ ii "a olicación ~-~. ~ ---~ . ~en las industria.8 de alimentacló Éstas...deben;::.d~~. lu,~o, -· ~r de 'construccion san¡ ana, y ha de usarseen') as secciones
,~p~:~:~~~~§~i~~~r~~,?~J5!~~T!~~~~~~scá-
418
P~OCEsO ,~
BOMBAS - SU SELECCIÓN 'y APLICACIÓN /
MANEJO "DEl ALIME~T~~
bIes de impu~orabiert~G'i~~-tz~~~,"tip.o.'::"de_.
proc:~xo en$j.ltütlra.~~J~1!P.Jj~~~1..~~p,,4~tE1!r , ~, ~e~b~~ En:!?s mgenIos" las :bombas de columna l!le-
"ruiina ~ertiéaléS de flujo mixto son el tipo prin~l2.~l.g~~. s~j~~. para . circulIi.G!Q!i ' t!!r...!arbonaCi6n?..;" En--e-s tosservicios se requieren grandes gastos"icOlüiñnas::moderadas. S~ 'usan impulsores de acero inoxidable y columnas ,de descarga' de aceró , soldado. Las )jambas de lechada de cal o kieSelgúhr son gene- . ralmente u'fiid~des , de ,impülsor abierto sticciónsiinple de un solo paso , di8é~adas para manejar abrasivos. La carcasa está atornillada 'pata facilidad de remóción. Tiene una dureza de 600 brin el!.. Otras 'unidades de proceso para ingenios incluyen bombas para licor normal; álmacenamiento, laCtos'a, jugos li~ , geros, filtrados ' y jaleas. Todas son generalmente bombas del ' tipo proceso de un soló paso. Cervecerfa's y Destil~rías. Algunas cerVe'cerías usan bombas deltiI'JO 'B~itrn'lcfaetod08' losservicios en"Jos que se ,:
Con~lIti6n al medidor , de presión
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Fra. IS-5"i 'E I elemento d~) o~beo de tu~o de hulé flexible eS :,expri~ mido por dedd,s ; ' '., ' . ,<" ' . .
Fra. 16-4. Bo~ba " hom~geneizadora triplex d~ al~ ' presión, que d~s. arrolla 210 kg!cm 2 ' ha operado a 420 kgJcm 2 • (Cortesía de Pioneer · , ','.; nivision, Scott and WilliamsJnc.) .
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.'J."
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, mane1~el producto. Otr~s, emplea~ : uni9~q~~\ ,convenci,9ñale~ c¿e súcción en el extr~m,o" {fe un ' ~olo . paso}y totalmente ae bronce o actitaiñéfitos dé . bi'oñcepara pasta licOr, cerveza, bagazo y m~sa jr~]ilb:l1ao)La·'ooíill>~·~' iYJv~~5¡;j~~ tIDn~te una pl!@~d .;ro.t~tori~.J!~...s.2llS!!UCCl . n'~' li'l'ntáft~ , ~S ' b~ba.s ,A ¡. bagazo de grano x,.,Ulj,iduo de;¡f,Uttad~ debeu(ten~~' "y:l}~cl!I~a·. ae'}Ucc~ónTe 3 ~3'i5iñ .~e, ~EuaJ ~~.~~a. d~ . fllt~~_g~!ler~ente Ílene,·;una c~~§§LIW.!a.}K\}a! a apr?~Hn!l~ da~ente 5J2QI...cie.nt~p.u.lpa de-pa:peJ,l,Algunas veces s.e usan bomb!!L~nttíf~S B9r'íM1.~~._pa~a trans~erir licor .~e l~s: tan- , queS: de~enti'fillen~,·.'aJbs de fermentacjón.¡y ,cerveza/de,~i;>s , de fermenúáción ~ ;:,los',:., d~ emíéjeCim~~epto: ~ ~lJíNies~e , descarga,y . de SUCClólil~; son ,generálmen " , n.&!!.~s : :iS"on ;00, munes en ' serVÍCios !de\ eei'Vecefla~' 'os. empaques "de,:,algodó'ri')'o borra impregnados de;rsebó; :t..gs."jwg¡Usl'tla&'p'i¡¡.to.s; se .usan en las .:homblis' de cardo,
BOMBU'.,í'!,V SELECCIÓN Y APLICACIÓN
_ En las des~ilerí~s se usa un gran número de bombas. Son comunes las bomb~s deUipo de proCElsptotalme,nte, de bronce ~c un so~o paso y: su~ciónpor el e~tr~JPo;La capacidad reque1'Ida vana de 1 a 9.4 lps las coluII1I.las de 7.6 a 30.5 m. Las , unidades t~picas que s~ usan so~ bOni;as para filtro de gine~ bra,de whIsky, tratamIento de gmeb,ra y' alcohol, tratamiento de , carbón, cuar~to_Ae cisterna, wJús~y, licores, nliseeláneos, vin? rico, destil~d~ J.igeI:O! destilado, g:,~eso, residúos:,'y recirculados. Cuartdo "se"usan bombas ,centrífugas conv'~ñciona1es ,en cervecerías y \ d~tge~~,s.' el siste~a: 4,e tuberí~ ge~eralmen-
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FiG. 1'6-6. "Bomba de ' tubo fl~~ible que, tiene rodillos para~omprilpir , el tubo. (Cortesía de The Jerom'e ' Murray C~-"p.). ' ,
te se: limpia .jnund,ándolo ' con una soluciÓn de sosa ' cáustiCa al 10 por ciento. 'Esto se sigue por un erijuague, ~o cual deja las bombas y tuberías,esterilizadas. ,'~ , Bom,bas ReciprQcantes~ La ,Fig. '16;.4 muestra una bomba ,hemogeneizadora;' de leche de alta presMn, construida en eua'tro tamaños, para ;, mahejai~\'de 1.9 a:9.4,l, Jpm y para presiones de ,hasta 211 kg/cm~. Todas las partes;' en contacto con el líquido ,bombeado 'son de acero inoxidable ,18-8 excepto el pulsaqor .Rque está :hecho de,, :un hule sintético inodoro ,e insípidO',e matacablepof (el"8ceite. El hule': puéde soportar tempe'l'aturashasta de ' 104~C. ,La Fig. 15-7'; muestra una unidad , triplex ~onectada co~yla coCina de g0puis. ' " El pIstón P (del:'que eXisten tres ,'e nJa ,bomba ,t riplex) se mueve con leva el¡'\a" tr~vés , de un brazo 'A. El movimiento de P hacia adelante y hacia atrás dentro ael cilin ro F hacen ';<'
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PROCESO Y MANEJO DE ALIMENTOS
que el pulsador R ' se infle y desinfle alternatiJ~mente en la cámara Fl. ~~ste Elucciona y descarga elliquidcr'qué maneja la bomba. Su meCanismo de operación, está por lo tant o aislado del líquido manejado. El flujo es bastante constante en , una bomba triplex. , ' , La bomba de tubo flexible (Fig. 16-5), tiene una serie de de~os de A a ·L que comprimen el 'tubo. en!~ecue~cia de izqUIerda a derecha. ' Esto produce succlón y descarga. En el momento mostrado en la ,Fig. 16-5, el dedo Aha cerrado el tubo lo que atrapa uhacierta cantidad de líquido en él. Los dedos J, K Y L se comienzan a levantar para permitir ,la salída del líquido, mientras que los otros comprimen el tubo para forzarlo a salir. Las presiones de descarga hasta 1.7 kg/cm 2 , son prácticas en capacidades de .38 a 1.9 lpm y una velocidad de 475 rpm. El tubo está hecho de hule 4e g9ma, neopreno o tygon. ,S u diámetro interior varía de 4.7: a 12.7 mm. En la Fig. 16-6 se muestra otrSl bomba de tubo flexible. ~sta , tiene una vuelta de tubo que es comprimido cuando los rodillos que rodean la flecha giran, atrapando el líquido adelante de ello,s y forzándolo a la descarga . ., ,; , La bomba' de fuelle de la Fig. ,16-7 está ~ñada para manejar de 0.45 a 341pm ,y a presiones hasta 2.1 kg/cm 2 • Al límitar la expansión y contracción qel fuelle B,:; puede ajustarse la capacidad desde O hasta el valor nomin¡U. ·El líquido bombeado pasa a través (de las secciones de succi6n y descarga de acero inoxidable así como el fuelle B y los expansores de re~ortes Ses~án hechos del m~smo material. '" La.. :leva e, que actúa sobre la palanca D hace que el fuelle se ' extienda y contraiga cuando gir~ la flecha unida a ',e. La capácidad se aju.sta elevando y bajalldo el colla ría F con' lá tuerc~ N. Este , tipo de unidades puede suministrar,'extractos de, color osa' bor en procesos de enlatado, embotellado, destilado, etc. ), Las bomJ:~as reeiprocantes horizoritales y ~erticales de alta presian (Figs:' 3-5 y 3-7), se ' usan para suministrar líquidos p~lra ' lavado, limpiado 'de animales y limpiado sanitario de la pianta y su equipo. Las bombas centrífugas usan también para enjuague y otros servicios sanitarios. Las bombas de me,dición y proporción de ,yarios tipos (Figs. 3-9 a 3,~12), se aplican en cervecerías y destilerías para muchos trabajos, incluyendo alimentación de ,compuestos a Plueba de ; congelación, 9 manejo de lodos de cerveza auxiliares de filtrts, bombeo de ácido al caldo antes de la fermentación, ~tc .
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BOMBA8"" ',8 U SELECCIÓN Y APLICACIÓN
_ En las des~ilerí,~s se usa un gran ~úxnero de bombas. Son comunes las bomb~s det,tipo de procelJ,o totalmente de ,bronce de un solo paso Y:su~ción . por el extr~JAO; 'La capacidad requel'ida varia de 1 a 9.4 lps las colu~a:s de 7.6 a 30.5 m. Las . unidades t~picas que s: usan so~ bOmjas para filtro de gine~ bra, de whIsky, tratam1ento de gmeQra y' alcohol, tratamiento de , carbón, cuar~_"pe cisterna, wllis~y., !,icores, nUseeláneos, vino rico, destila.d~ Jige~9!, destilado, g:rueso, residúo{y recirculados. Cuarido .se :usan bombas ,centrifugas conve'ñcionales , en cervecerías y , d~tilecl~.s, el sisteIÍla, de tubería ge~era1men.,. .. : " ,
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te se limpia inundándolo ' con una solución de sosa ' cáustica al 10 por ciento. "Esto se sigue por un erijuague; lo cual deja , las bombas y tuberias' esterilizadas. .;' :,' Bombas ReciprQcantes¡ La Fig. '16~4 muestra ' una bomba .hemogeneizadora:de leche de alta presión, construida en cuatro tamaños, para . manejar·'de 1.9 a:9,4,' lpm y para presiones de ,ha's ta 211 kg!cm;. Todas las pa'r tes: en contacto con el líquido ,bombeado ·son' de acero inoxidable ·18.8 excepto el pulsaqor Rque está he,t ho de, ,u n hule sintético inodoro .e insípido, ,e inatacable per !.el' aceite. El hule,:'puede soportar tempeTaturas -hasta de ' :1Q4~C. -La Fig. 15.7'''muestra una unidad . triplex conectada c'on-ila coCina de gomas. El pistón P (deL'que existen tres :enJa ,bomba :triplex) se mueve' con leva C{\a ·,trS;-vés,de un brazo \A. El movimiento de P hacia adelante y hacia atrás dentro del cilin ro F hacen , "
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PROCESO Y MANEJO DE ALIMENTOS
que el pulsador R ' se infle y desinfle alternatiJ~mente en la cámara Fl. ~~ste Elucciona y descarga elliquidcr'qué maneja la bomba. Su meCanismo de operación. está por lo tant o aislado del líquido manejado. El flujo es bastante constante en . una bomba triplex. , , La bomba de tubo flexible (Fig. 16-5), tiene una serie de i de~os de A a ·L que comprimen el ·tubo. en ~ecue~cia de izqUIerda a derecha. ' Esto produce SUCCIÓn y descarga. En el. momento mostrado en la ,Fig. 16-5, el dedo Aha cerrado el tubo lo queatrapli uhacierta cantidad de líquido en él. Los dedos J, K y L se comienzan a levantar para permitir ,la salída del líquido, mientras que los otros comprimen el tubo para forzarlo a salir. Las presiones de descarga hasta 1.7 kg/cm 2 , son prácticas en capacidades de .38 a 1.9 lpm y una velocidad de 475 rpm. El tubo está hecho de hule 4e g9ma, neopreno o tygon. ,S u diámetro interior varía de 4.7· a 12.7 mm. En la Fig. 16-6 se muestra otrSl bomba de tubo flexible. ~sta · tiene una vuelta de tubo que es comprimido cuando los rodillos que rodean la flecha giran, atrapando el líquido adelante de ello,s y forzándolo a la descarga. . . ,; , La bomba- de fuelle de la Fig. ,16-7 está ~ñada para manejar de 0.45 a 341pm .y a presiones hasta 2.~ kg/cm 2 • Al límitar la expansión y contracción del fuelle B,:~ puede ajustarse la capacidad desde O hasta el valor nomin¡U. 'El líquido bombeado pasa a través (de las secciones de succi6n y descarga de acero inoxidable así como el fuelle B y los expansores de re~ortes Ses~án hechos del m~smo material. '.,La" :leva e, que actúa sobre la palanca D hace que el fuelle se ' extienda y contraiga cuando gir~ la flecha unida a '·C. La · capácidad se aju.sta elevando y bajalldo el collaria F con' lá tuerc~ N . Este tipo de unidades puede suministrar,'extractos de. color o sa. bor en procesos de enlatado, embotellado, destilado, etc. ). Las bomJ:~as reeiprocantes horizoritales y ~erticales de alta presian (Figs:' 3-5 y 3-7), se ' usan para suministrar líquidos p~lra ' lavado, limpiado 'de animales y limpiado sanitario de la pianta y su equipo. Las bombas centrifugas usan también para enjuague y otros servicios sanitarios. Las bombas de me,dición y proporción de .varios tipos (Figs. 3-9 a 3.~12), se aplican en cervecerías y destilerías para muchos trabajos, incluyendo alimentación de .compuestos a Plueba de ; congelación, 9 manejo de lodos de cerveza auxiliares de filtrts, bombeo de ácido al caldo antes de la fermentación, ~tc.
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BOMBA.S -
su. SELECCIQN,.Y
APLICACI.6N
Bom ba~~9t~to~i~s. , .se construyen va,p os tipos difere~~ tes de .b0lll:b.a~. ro~ tOIfas.,para,servicio sanitario .. Se usan éstas para ,maneja~';'una ianedad di: alimentos. Los tipos disponi~ bIes de construcc~,ór,!.~anitaria incluyen ,los de engrane y perno (Fig. 2-3), un solo tomillo (Fig. 2-7), aleta o~cilante (Fig. 2-10), y rp.uch~s <;>tras bombas. Algunas de estas bombas están' movidas por .:ÍP.otQ-reductor, lo qu~ reduce la ~v~locidaci en -algunos sempios _.para evitar la agitación :;y magullamiento . del producto.que manejan. : "-,, , "Ver,el. Cap., 2:para una dis~ cusión de los diversos tipos de bombas rotatorias. La bomba de un ,solo tomillo (Fig . 14-15),es popular para muchos servicios in' cluyendo los de mostaza, ensalada de' papas, chow inein,pastas ;.,-etc. Puede hacerse de acero inoxidable en capacidades de hás~ ta16 lps y presiones hasta, 42~ 2 kgjcm 2 • ' La Fig. 16-8 muestra dos . tipos de 'las bombas rota, tOnas con rotores en forma dé' medias lunas. Estas uni~ dades se construyen espe~ cíficamente para ·servicio .sanitario y se úsan ámplia~ mént~para fuanejar pi:o~ ductos,como ~Qpas, fricasés, fresas, etc., en la manufactura de rriermehldas, jaleas, rellenos de pasteles, alimentos de nifíos, puré de manzana, dulces, pastas de 'galletas y muchas otras. , Ambos diAflfíos son uni, dades de desplazamiento '-h- aaCClona , • da por ' le' -,pos.itivo. - ~on autocebantes F IG. 16~·7 . B om va con fuelle de acero inolCidable. ' y entrellan un volumen
constante que nG~ se ve afetiÚldo por pr,aÚsnro,:velocidad;: Se, en~uentran , enaleaciones ,~e" níquél, br~~~,¡ ac~ro'1noxida1Jle, ' aleaciones, especiales, etc:,j,E stas' bombis~'ptiedéh,\mÓverse ;directamente o ' pe! engraires¡ ,,:bandas':;letc; · Están montadas sobre bases·.com4nes o saiiitarios. - ' '::. . ; t).~ ,. ¡j-, . . > Las bolsas que se forman en los impulsores durante :Ja rotación son lo bastante"'giíi;Iides para permit il',)el bombeo, de sólidos "s'in daño o desperditio. Las unidades,~.de: la , Fig.í6~B pueden .dotars.e con sellosi~'Ptatorios . de' anillos cerrados: C.a-
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Bombas rotatorias ,sanitariascQn rotores ~n forma d~' '~~. dil;l. luna.. (CortesÍa de Wau~k~~,lid :Foundr;,f' 9~. a~/l ]lump Pum¡J '00./' FIG.: 16-8.
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da parte en contacto eón ~et ~alimento., .e stá ,~i~~nada para!;que sea fácil ·de lavarse y estértlizarse. TOdaSlaS¡artes. son .t e,rsas y al ras en sus contactos entre sí, sin área difíciles de lim.
piar. Los materiales da ,construcción ¡no afectan ' ni cam.bian sabor' de los; alimentos'¡-', Se constru!Y~n ,~~ :. ta~~fi~s4~2~, 37 y 51 mm y,la bombá :.dEl, la Fig. ¡l.~'t:8b ( maneja de 0.3 .a 63 lps c'a presiones de3.5'1~~gl<:m2 . Laacción , p~ );>ombeo :e~}en-, ta, suave y positiva. · ,. ' ' , ' " ' . , 'ú¡ ~ i:" . . ni " ' '. . SelecCión ,de Boml:>a~.", '" Capacigg9: ( ~a
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BOMBA8/~ 8U SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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,en lps. En general,;,hay que elegir';,1a: bomba que opere a su ~yór eficiencia" flu~o normal, o enun ~ punto algo a la dere.cha 'de éste en la 'curv8.HQ. Con alimentos sólidQs,.larelación de agua' a ,sólidos varía. Para las mejór.~s condiciones de ,bombeo, manténgase la mayor relación,':posible. Las relaciones típica~ son: ejotes; i25 l/kg:' r.hícharos 8.3 l/kg. Columna: La columna que habrá d,~~fdesarrollarse' en las bombas sanitarias ra,r,~mente e~~eden ,dei 30 mV~ns8; !~,b?'~'!!~p'd~~;,Y . gg-
blece~l~.~~os. ¡>ara 'mf1en.~~, ~J~}l'!9QiO'!t:,~!:.~P . J!WllmO.~S..t0
roouce la column:lrto
, ~Íl el sIstema,' permItIendo. ,un flUJO
mas'~frél~~coI1"'IIÍeños,~esWüiifa-; ' agi~clOp., y~~aafio-aí alimentQ.
E'litástIa-~ve1ócidaa~~cré"Iá~b.ómba pañi"'~oreper ia c'órümña ae:
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~'Mat;;¡¡;i~~: ñé'f)eii' con~iderarse ';mtichos factoreli ':además ' de la cor~osión simpiE~;, . Las partes de bomba en '~ontacto con el 'alimento son 'la carcasa, impulsor, flecha, eIP.-paques, pistones, varillas engranes, dependiendo de la clase de bomba usada. El acero inoxidable es adecuado prácticamente para' todos los alimen'tos, excepto los que éontiehen salmuera. metAl monel,. . y' .se Muchas aleaciones contienen cobre, comp #7 . ' pu~den usar en salmueras/ pero no ;~en ',alimentos comp" chícharos , maíz o h~'b.iis.yaque el cobte '~puede decolorar la ,cubiert~t,de estos aUm,e~s. , N
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PROCESO Y MANEJO DE ALIMENTOS
merte rotatorias y enfriados por agua se usan ampliamente para evitar la contaminación d imento llumejado por bombas sam anas. u as ombas tienen aleros ,externos para asegurar una completa separación del alimento ' y el ' lubri' " , cante. " Número de Bombas: Siempre se usa una bomba por servicio, rara vez con uni~ades de reserva, excepto en ,algunos servidos críticos. Tuberw: La tubería sanitaria se hace de acero estructural, 8Iea<;iones de níquel, hule duro, cristal o plástico. Las ' bombas diseñadas para manejar alimentos tie-
' 1":Yffri~~~~~~f:t~~!1~~;rí~~e~~~i ~6~~~~'C.~~~
'6. e la tubería
e. as pe \' ICO a o ro. us nas ' e a 1I11Emtaclón se úsan un gran número de bombas ade~ás de los tipos sanitarios. Para ob"" ,tener datos sobre ellas hay\que consultar los capítulos apropiados en este libro. Cuando las prácticas o leyes locales requieren desarmar y limpiar las bombas de las plantas de alimento diariamente, nótese que esto se aplica ' solamente a las bombas sanitarias que manejan alimento o los materiales que se usan en sumanufactura~ Las otras bombas de la ~!~nta ordinari~~ente no requ,ier~~ t una limpieza tan .fre'cuente , ~ ServICIO de Salud Pubhc~ de los Esta~lE,~t~§. .._ Q _
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, A la fecñi1 Estados Unidos,:extrae más de 756000000000 ,litros de a~iia cada 24 'horas, 'de SUS " recursos. Las ' bombas mueven prácticamente lá íiflantas industrialesJ, _alrededor~ del 13.5 por ciento del agda;" qu'e se u~a viene de pozos, 't9.8 por ciento viene de suministros públic'os de agua y el 66.7 por ciento viene de fuentes', ¡de ' superficie. El agua salada constituye alrededor del 21':3' ,por ciento ' de las tomas de aguas industriale,s. Es, interesáhte 'notar que el 52.6 por ,ciento del total del agua industrilil' se ' recitcul!l,,:;para usarse de "nuevo. ' Puesto que las bombas de ' diseño algo 'especializados se usan para pozos de agua, los' súministros de agua subterráneos se discutirán primero. ,~,' Pozos Profundos. ' Las bomba~i-¡a,el tipo difusor d~ o varios pasos (Fig. 17-1 y , 1-22), se ~s~pmucho para servicio de pozo profundo. Lás' unidades dé"este diseño general se llaman comúnmente bombas turbinas verticales. No deben confundirse con bomba~ dé'. turbina regeilerativas; discutidas ,,' ' " -', en el Cap.!. Las bombas turbinas~:vertiCales pueden ser lubricadas 'por ,aceite o por agua. Cuandó' se tienen chumaceras lubricadas con aceité se usa un tUbÓ de cubierta de flecha. (Fig. 1-22)~ El líquido manejado por 'bi bomba sirve como lubricante en
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" ¡~ ,., BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLtCACIÓN
las bombas lpbricadatll ,por agua (Fig.17-1). E;~ ,es~as no se necesita cubreflechaV¡.>or lo que se conoce' como bomba de flecha. Jescubierta. Uts bombas turbinas verticales · pueden ser mo'. 'das por mototes eléctric9S,l turbinas de vapor o máquinas de gasolina o diesel (Fig. 1~-5). Las bombas, lubricadas por agua se usan cuando se requiere agua absolutamente libre de aceite o· c~u\.ndo algunos, cuerpos reguladores deciden que h v una proba bilidad remota que el aceite que se usa para lUí)ricación pveda contaminár el agua bombeada. Hay; . sin. embargo, defensores oficiales de ambos tipos de .~onstrucción. '., Las bomb~~ turbinas verticales " de pozo profull,~9 se .fabrican comúnmen~e ' par~ pozos perforlldos de 153 mm de di~.7 • metro y . maypres. En muchas áreas el · . diámetro m4~ :' económico para un pozo perforado es de .30 mm, pero los tama, ños intermedios. son populares en instalaciones ind~st~ales y municipalidades pequeñas. Se h~n construido ,:pombas de hasta 760 mm d~ámetro Yl.{'4s hay dis'~ ponibles en el .mercado. Aden:)~8 de agu.a, es~s bombas 'pu~den m~nejat aceite, lí· I\pidos volátiles, químicos) etc: . ) Las bomba:s;~c:te" varid~: pasQ$ para ser,~ viciQ de poz~ ~. profundá , desarrollan co. lumnas de más de 460 metros 'y manejan , gastos hastade.. 19QO lps: El número de pasos elegido depEmde de la columna que : deba desarrollarse siendo ,la elevación de · presión uniforme .en cada paso. Las bombas ' de alta columna pueden tener 20 0 , máS pasos, pe~o la mayor parte de las unidJldes que se usan hoy en día tienen ' . FIG. 17·1. Bomba ' ge~éralmente menos. . turbina ve r ical para . Los impulsores son generalmente cerrapozo prof u . do y po- , dos o semiabier,tos. Los difusores (Fig. co pro(undo lubrica- 17;~iJ, se extit~n:den : hacia arriba en los da poragl,. de t~es tal ohes de la,bomba; Para las éondiciones !s:,~s~ m~~ '~~ricc:. :,. promedio del '~~~¡, los m~'teriales que se (Cortesla f . ' Johns- '. Ul~a!l para . elpnpulsor mcluyen bron -. ton Pun .!, Co;) . . . Ce, fierro de fun.éi;ción gris de grano fino,
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429
SUMINISTROS ~ DE . AGUA
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hierro de alto níquel y hierro esmaltado con porcelana. Los tazones revestldos con porcelana también se fabrican ' pero no . se usan extensamente debido que el impulsor está sujeto a mayor acción de corte que los tazones. Nótese que el ademe del pozo no es parte de la bomba. Bombas . de Motor ·Sumergido. En es~ diseño (Fig. 17-2), una bomba centrífuga del tipo difusor, vertical, se . monta directamente sobre un motor de peq1.Jeño diámetro . que opera sumergido en el agua del pozo todo tiempo. La 'tubería de descarga, llamada también . tuboae columna . o elevador, soporta el peso de la bomba y el motor. Los motores usados con bombas de este tipo. se disetian para gran
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FIG. 17-2. (a) y (b) Bombas de pozo profundo pequeñas, de motor Gumergible. (Cortesía de The Deming Co.j. (e) Bomba grande de motor sumergible. (Cortesía de Byron Jaekson Ca.) .
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BOMBAS -: SU SELECCIÓN .. Y APLICACIÓN .
Difusor 'del eyector
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servicio, si~:;~tención. En.. c~~o de una falla ,en el. motor, d~be extraerse ,t,qda la bO{l1ba ,.:del pozo. Esto es una desventaja '" en pozos ,extremadam~nte;;iprofundos., . , \' " Muchas. bombas de ' motor sumergido se cOI,lstruyen para columnas de h~~ta 3669, wétros ypapacidadei;-:de ' 25 lps , a temperaturas dellíquido.A9;,, 132°C. Algunas -bombas mayores de este .:tipoti~.nen más:'J ie:· 300 pasos. Muc~a~ , bombas ,de motor sumergido de varios ;diseños s~ usan a la :fecha tanto para ,pozos ,poco ,profuq~~~:; como profundós, especialmente cuando el P!lzÜ" está chtieq,q." Con todas las bombas de este , tipo, es necesario unaco~exión de lubricación entre el m6t:~r · y la. superficie~ ,así (.!omo, un: cable de energía. " , ;.~~ \. .' ... . . '.: '. " . Bo~bas , de ,Eyector. ~;;j Estas (Fig. 17-3 y < 7.~3), coml>i~án una bomba ce~rífuga ?e,¡\Íh . ~olo paso en la ;~p:\rte .supe~or del pozo con una boqullla'::de chorro ,o eyecto!i,\locahzad!l, en la pantalla de ~ucci6n; del'ípozo. Una parte déUlgua des.<;; ar-gada por la bOIllba fluye hacia abajo y a través' del eyector, en donde coo~ra para ~ejorar el flujo' que 'va a la bomba, subiendo por ehtubo de ,d,~scarga. " . Para pozps ";qe poca",profundidad, ,~on ' unaelevaCÍón ' de menos dé"7.60 J;netros; el eyector se colopa generalmente s,Qpre la superficie, en la carcasa de la bomba, en lugar del pozo. Esto permite un mantenimiento más fácil. Para profundidades mayores eleyector, se,, encuentra,:,~, el poio y la bomba, que puede ser horizontal osertical, ei("'a superiicie. , Las bombas de eyector están más adecuadas para eleya· ción de 7.60 metros o más con capaci~des hasta 3.16 lp~' dé descarga neta (= capaCidad de la bo ba - cantidad usada en el chorro). Son comunes las elevado es ,hasta 38 metros, ' y algunas ·bombas opera!) con elevaciopes de 45.7 metros. En · general la ,eficiencia de una, bomba de eYeCtor en elevaciones altas es reducida; hay otr,os disefíos mejores para servicio de columna~ , altas. . ' '. .' . Bombas d~ Rotor Heli coidal. : Estas se asemejan a las ,bombas t~rbinl:ls lubricadas por agua; excepto' en el extremo líquido y .suconexi6n la flecha. E.n lugar ,de un impulsor labomba;~stá provi~ta.con , un rotor hilec6idal que opera en ' un estatorbihelicoidal ! (Fig. 17-4). El agua,:atrapada en las depresiones ,del estator s,e,:clesplaza positivamente por .el contado movible. ~ontinuaménte hacia arrib~'rdel es{;:ü or con el, rotor. Un .t ubo de transmisión flexible arriba del rotor amor~ tigua los efectos de. lo~ lmovimientos del ,rotor y el estator. )~
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Difusor del eyector
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Cuerpo del , eyector
1 Difusor del eyector 2 Boquilla eyec:toto;r 3 del Cuerpo d l evector
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FIG. 17-3. Tipos de bombas de eyector (a) De dos tubos. (b) De un tubo. (e) Alta columna, baja capacidad. (d) Baja columna, alta capacidad. (e) ' Eyector conectado cerca de la bomba da una curva HQ de inclinaci6n pronunciada. (Cortesiá de , Ingersoll-Rand Co.) .
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BOMBAS ' ''',SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Las uni¿;ldes de este tipo se diseftan para pozos profundos y capaciJ ades de 32 a210 lps y . columnas hasta de 305 me~ tros. S usan pozos perforadgs ·:cOn diámetros internos de 10 centímetros o más. ' Bombas Rlciprocantes. Se ~san a la, fecha relativamente pocas bombas re,Cip.rocantes en pozos industriales ya que lQs~ varios tipos de bombas centrífugas obtenibles se adaptan mejor a este servicio. La Fig;~ 17-5 muestra las compo- ' pen,tes de UIia bomba recipr
SUMINISTROS
DE
433
AGUA "
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FIG. 17-5.
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(aJ Cabeza de bombeo. (b) Cilindro de doble acción. ( Cortesía de The Deming Ca.)..
columnas de 6.1 a 30 metros. Este tipo, generalmente tiene una velocidad específica de entre 143 y 307, ~ ideal para manejar agua de superficie, de ríos, lagos y otras fuentes. ' Está excepcionalmente bien adaptada para las aplicaciones que requieren una capacidad demasiado gran~e para la bomba de túrbina vertical y una presión demasiado alta para la bomba de impulsor. Ésta llena pues el espacio entre la turbina vertical.y la bomba de impulsores. Las bombas de impulsores manejan gastos:~, de más de '12600 lt/seg,i, y columnas de 0.3 a unos 15 metros. La velocidad específica ,es supenor a 307. Ver Cap. 7 p~ra discusión ',', ' de tomas de bombas. Bombas de Aplicación General. Éstas son frecuentemente bombas centrifugas del tipo voluta con aditamentos
434
BOMBAS - SU SELECCIÓN y , APLICACIÓN
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AGU<~~J,<'
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de.,bronce ·de un: solo pa:sb~\Hórizonta:leé;~ aiséWa'daspara' manejar,Hquidos limpios y fríos 'a temperaturas;':áinbiente o>rnoderadas. Encuentran grannú'mero de aplica:ci0nes: en .suininistros de·agua,particularrrrente' para agtias ' de ,superficie. " ':: ; Las bomoas :,{:entrífugasi'de acoplámienOO estrecho niohtada:sénel ·extremo y idel:,t'Ípo de cuna, pa:r'~' ~'Uministtos~ldé agria 'y ·servicios· generálés'::latl'menta~';~rt ' poJ1jülarídatL E~te :·. ;·f
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voluta de servicio general de un ' 'p aso, doble toma. (Cortesí~ de ,Economy Pumps,1nc.). .
separacS~ c~~leta
diseño '; permire' la del extremO líquido de lai bomba yde las chutrtaceras,pérmite mante,nimientofácilsin intervenIr la tubería y usa solamente una caja de empaque o sello mecánico. Estas unidades son generalmente eltipo:de voluta./deun solo pasa,. petO también: eiis. ten unidades' del tipo volut~ de dos pasos;; Las cnpaddades ascienden ,a 177 lps, colunmas a 175 metros. En 1 Fig. 19~1 se muestra 'otro 'disefto popular,· "','
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436
B9MBAI - SU SELECCIÓN Y APLIC",CIÓN
Slí ministrojde Aguas Muni~ipales. En instalaciones municip;·; csse utilizan los mismos 'tipos de bombas descritoS antes pn a sumin~stro , de agua a las industrias . . Igual que las bom!.;: s de servicios industrial,es,," s.e ~mplea upª,:gran vanedad ,~ primo! motores. Los ~Qtl')fes eléctricos .son los ' más comUl1 s, siguiéndoles ,las máquinas , de combus,tióninte,m a, particu armente'las unidades degiui.de atarjea, c;in,instalaciQnes m,d cipales. También se usan las turbinas .de vapor. La Tabla .. '1-1 da los requisitos de 'agua de ciudades 'y poblaciones típicas. Cuando sé eligen bombas para suministro municipal de agua, 'es conveniente .' prever futuros crecimientos la tv.4ería y e.g~ipo. .en la c,10cción SU fi1inj8t~!:?, d~ Agua ~ con;~t!:,qcciones. Los edificios comercÍat ';l, indu$triale,s y residencial~s ' r.equieren frecuentemente, una ... más:b9~~as para auxiliada' presión del suministro dé la c' ad 'uD' pivel adecuadO.,, :Las bombas centrífugas se usan c,· ,í invariable¡p.~nte para ' e~teservicio. Pueden úsarse tres tipos de , sistemás~ dentro del~dificio para alimentar los . distinto 3 accesorios: (1) tanquese1evados, (2) sistemas neuffiático,' .(3 )':!iiStem\,ásin tanque'::'~irn tanque elevado se usa frecu~n ¡,~m~n,~ ¡)éüa~~" el gast~ i?~u~rido' es mayor de 6.3 lps. La capaC;ig.ad:'deL tanque ~~,.:g~I}eralmertte de 320 a 800 veces 1: capaCidad de la bomba en',lps: Los' sistemas neumáticos 8~ lsan ;cuandoh~: tanque e~~aao. es inadecuado o CUa,Il. do la c. xlcid~a~;: ~equ~~Jd~ es ni~#bil1':q~ 6.3 Ips. Los sistemas neunuL J S se ;,U.~an ,cua.ndo untaijq,ue·.elevado es inadecuado (j cuanc' ) la cap~~tqa:
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SUMINISTROS
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SUMINISTROS
438
Y APLICACIÓN
BOMBAS - SU SELECCIÓN '
Tabla , 17~2.
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Necesidades ,Típicas de Agua para Ciudades.
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Doméstico lps
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10 '000~'
20 'OO()C' 40 '000,', .',r, 60 oo~;/ 10o'oocli.. ~ 150000 200000::: , "
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63.2 95.0 126;0 158.0 189.0
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* Cortesía de The Deming Co.
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Para:menos de 50 accesorios redúzcase la capácidad de la ,bGttlba 50%. Para más de,150 accesorio~ auménteiíé la dlp'áCidad de la bomba 15 a 25%. Auméntese la capacidad de' la bOmba 25%~si la mayor parte de los ocupantes del edificio SOn mujeres, cuando el ,consumo ha sido con medidor, la capacidad de la ,bomba debe 'ser tres veces el valor medido. Los tarique~,' neumático8 'en sistemas 'con demanda uniforme deberán tener ~1;1na capacidad de ' 1 800 vecesl" capacidad en Ipl de la bomba. i i! ;Í! ' ", , ' ,"., , ,
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elección más común 'para suministro de 'agua en ' edificio~. Estos pueden ser horizontales o verticales. El consumo de agua, en lps por salida varía de una clase de edificio ~, Qtro. La Tabla 17-2 muestra los requisitos típicos según un, ·fa1;>.ri,c ante de bombas. Para dete,ri'nin.a r la capacidad de las(botrih:as-multiplíquense el número totál de salidaS en el edificio por el factor correcto y aplíquese cualesquiera de las notas' aplicables de la tabla. Para determinar la columna contralii 9ue debe oPerar la bomba, encuéntrese la s\Ima de: (1) alt~ra del eje de la bomba o la salida más alta; (2) presión requerida en la ,salida más alta, expresada en metros, y (3) colum'ria de fricci6i1en la línea de deséarga de la bomba. Esto es la c?lumna total ' de la bomba, a menos que haya una columna ',4~i:, presión ,o btenible en la succión de la bomba. Si la hay, su :'valor,' expresado en metro$ ,de agua se resta de la suma anteriOr. ,La presión requerida en la salida más alta es generalmente de 1.05 kg/cm 2 (o 10.5 metros de, agua). Si hay una elevaciól1 de succión, agréguesele ,a ·la columna de, dés- , . carga. , . '' , .!.: . ~
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Req~isitos de Agua p~ra :Edüicios.*
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* P~ra .c~?9.,!ie:s, y . poblaciones predominantemente residenciales y , comercIales; ' c,~~d9 predominan las industrias, probablemente se re~"" querirá un ' ga'stO mayorcjue el total dado aquí. ' ,., ' t IncluYéagua para uso ' doméstico y cOl,ltra incendiós. <;~" . .
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Poblaci6ñ;:,
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Ejemplo.:.. '¿':(;uáles ,son ·l a 'capacidad y la columna req'ueridas en u~a bomba para< ~1iínentar ' un edificio de oficinas con un total de 150 salidas si la altura de la bomba a la salida más alta es de 38,10 met'ros
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la presión ~~sar,ia en la ~'lidi1 superior ~sde Ü)5; kg/cm 2 , laspérdidas de fri~~n 'en el tubo .!le,descarga son de 6.1 nietros y la colurn- ' na de presiÓl;ll,en la succi6n 'de ,la bomba es de .7 ' kg/cm 2 ? , -,,:' Soluci6ri:". La capacidad requerida, utilizando los datos de la Tabla ' 17-2, es (160), (26.4/60)= 6.61ps. La columna total de la bomba es 38.1 + 10.5 + 6.1 - 7= '47.85 metros de ' ~gua , ::; ~ 4.78, kg/cm 2 . ' ,
Al bereas. ' Las boirib~S : de voluta de un', solo pas6~~on "doble succión divididas horizontalmeIlte,con aditamentos de bronce, de aplicación ' geribral, se usan ; cómúJ!tmente para . el i'efiltrádo y reacondicioriatirtlento del agua ,de'¡as albercas; La Tabla 17-3 muestra la 'cap'~cidad de})ombasreqüeridas para albercas de varios tamaf\ó~, con períodos de filtración distihtos. Hay que comprobar con las autoridades locales sobre ,el , período de refiltraciórt requerido: muchos requieren g ; hr, otros permiten 10, 12 o lS' hr. " " ", '. , , La columna de la .' b6mba está compuesta>por la fricCión , en el sistema de tuberíá que alimenta,Ji:l alberca y la con~ta á ' los filtros, jnás la cámara'·'de filtrado, rejilla' y 'resistencia'
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449
441
BOM~ ,~8U SELECCIÓN Y ,APLICACIÓN . ' ....
filtros y se lavan'uno a la vez, lá' f)9mba de refiltrados tendrá capacidad Gufi~~eIlte. Si solamente se usa un ' filtro, se deberá ,suministrli r un8,)~pmba, separada p~raJavado, ,con ,una ca}:?acidad de cuatro,veces la de la bomba para refiltrado (ver 'ra .. bla 17~3). Las bombas de refiltrad9, ~mbién se llaman bombas de circulación: dé albercas. Las ,bombas reciprocan tes para medición y proporción (Capítulo ,2Y alimentan cloro y otros , productos químicos líquidos al agua, de la alberca. Tabla 17-3.
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Requerid~',para Bombas d~ :iÁlberca.
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brqnce son comunes para áreas planas en. , donde;la columna requerida e~ , aproltimadament.e de 7 kg/cm 2,. E¡u , áreas irre,guIares, se usan b(jmbas de varios paSOS" deI- ,nú,s~o tipo. La columna requerida es ' generahnent& de", unos: 14.d~g/cm2. Se utiliza agua a, la temperatura atmosférica. I>uest9 , q~e la tu,beríaes con :frecuencia extrerqadameFite .larga, ~S:: impo.r tante e~que sea del. diámetro adecuado. , Scm .cQmunes ' loe motores eléctricos o de combustión interna en este tipo de servicio. , ProtecciÓn Contra Incendio. Las:: bombas centrífugas contra incendios se construyen en , seis" tamafios, normales -31.6, 47.3, 63.1, 94.7, í26.2, y 157.8 Ip~. La ,Fig. 1-18 muestra una: unidad ' típica con el ,equipo': i'equerido por la mayor parte de las autoridades sobre seguridad.:'Éste incluye una válvula de alivio. un·, cono de demásías, 'u n'¡múltiple con -válvula para manguera, una válvula 'de aire yal'l'anque y manómetros. Éstos los suministran el fabricante ' de la bomba. La Tabla '17-1 señala los gastos requeridqs'para protección de incendio en ciudades de varios tamaños. " ' ,','. " . . . , . , Cuando una bomba contrainceridios se mueve 'con motor de velocidad constante y se desea una región de presión amplia sobre la región normal de captlcidad~ ' habrá que elegir " u~a unidad con un~ .curva HQ pronuneia'd'a. EstúJda una presión más alta ~ a pequenos gastos y eS-'de,séable cuando se van a": usar mangueraS muy ¡largas. Elíjase 'ima "bowba con una cll.rva plana :HQ cuando la unidad tiene 'un ni6torde velocidad varia:ble o se desea presión constante a::,púalqúier gasto. La bomba contra incendios promedio tiene generalmente una c_~rva HQ i~termedia entrela' p~Olluricia4a y, la ', ~p18.nada. ,: A 65 por; ~iento ?e s~ -' presión ~o.rmal, l~ ~()m~a deberá eiltregar no lUenos de 150 por ciento de l~ capacidlild normal. Con una curva HQ pronunCiada, el corte' no .dep'e .ser mayor ~q~e 130 por Ciento de la pr~slón normal, YC;O~ ú~)iQ prome
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La aspersión de céspedeb para estas instalacione!ilY similares ~emente~ rios,,, hipóp.romo~IY:'~~C.:-'7!-' requie~~~ ::.2, 53 m 3 'P Qf hectárea por se~"~na cu,:re~a prese~cia de condiciones de sa· quía; ,Un bt en',céeped , r~uiere, aprqp~adamente ?5 cm ci~ agua
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442
S .U,M 1 NI S T R o 8 .... D E
BOMBAS - SU SELEcCIÓN' Y APLICAciÓN .
tección COIt~ra In~endios· de NFPA""publieado por la Natioi ' nal Fire ' Pfótection .Association, .Bostori' 19, Mass. Los movimientos aprobados .para bombas centrífugas coritra incendiós)¡ncluYEm motores 'eléctricos, turbinás de vapor~ así como ' inorores de ' gasolina y: ·diese!. Hay otros requisitos que deben cúntplirse para 'obtener la aprobación de la instá~ lación de las autoridades. Ver el manual anterior para detalles completos. . . Pueden usarse. bombas 'verticales u horizontales centrífugas para protección 'contra incendios. Las unidades de un solo paso son generalmente de doble succión divididas horizontalmenteconJ;aditamentos de ,bronce, tipo voluta. La cons;:; trucción tdtalinente :de . bronce ' también se utiliza. Las capa- ' . . cidades va,rían de :3L6/a ,1581ps; y las columnas de 2.8 a 10:5 kgjcm 2 • Para ;pr~sionesmás altas, se utilizan unidades de dos pasos. Éstastienénfrecuentementeimpulsóres opuestos con un circuito externo para conexión entre pasos. Cuando tienen aditamentos de bronce, tienen la misma región de capacidad que las uniqades de un solo paso,,·,La~ columnas llegan unos 14 kg/cm~. ., ." . " . Las bombas reguladoras (jockey) se usan para mantener una cierta :presión e.n un sistema de aspersión en .todo tiempo. Están disefiadas ,para arrancar y, parar·automáticamente. Sus tipos .inc1uye~ unidades como las mostradas en las .Figs. 1-13, 1-15 Y 17-'8. Generalmente tienen aditamentos de bronce cuan~ do manejan ',agua, con capacidades de 15.8, 31.6, 47.3 Ó 63.1 lps. ~, .. " , , ' Las bombas ' t urbirias vÉirticales ' de acoplamiento estrecho l' se usan también para protección contra incendios. La Fig. 17-6 muestra- unidades típicas ' para un sistema industrial aislado contra' incendio. Las bombas contra incendio verticales de tt,lrbiria sé construyen en capacidades de 31.6 a 158 lps las columÍlas de 73 a 87 metros o.mayores. Están movidas por motores ' 'de '1 ·760 l'pm; turbinas de vapor, o máquina's diesel o de gasolina;' El n6mero de pasos dependerá de la cb;; lumna requ:erida:~ ' Pueden ser lubricadas poracéite o agú~; Las bambas ·rotatorias se lisan también para servicio' dé proteccióncontl'a incendios. Igual' queJas bombas centríft.igas, vienen 'para cap'acidades de 31.6, 47.3, 63.1, 94.7, 126 Y 158 lps a, presiones' de 2.8 a 7 kgjctn 2 • " Bombas :'Portá.tiles. Muchas bombas centrifugas, rota~ torias y rMiprócantes del tipo portátil se han desarrollado J
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AG .U~ ,,¡}~.
~n . estos . últimos años. ,~~w. ,se disc~~n ,e ,:otra parte ,del Il libr.o, .y encuent~an muchps-),usos en ,~~talaci'Qnes indu§ltria. les y municipales para p,r;o~ción cori;traJnceiu;lios, surnmis-
érs '''¡' II '/,.'. .
t~o de emergencia de agu~¡,lj~. pIado .de albercas, etc. :N'pte!3e J, ." . . . que todas las bombas contra .§ ' .' '. ' '.' ' é. ,.. .. , incendios, ya sean portátiles o '~ .' ;. , estacionarias, deben aprobarse c.. ' . ' por un laboratorio de seguros Gasl<> Presión a · d Caracterlsticas de bomba parada de otra· manera pue en no bomba de tanque el~do ' ser aceptad~. s poi' las autorid~des de seguros. El uso de eqUI.. po aprobado" en: la forma recomendad~, puede reducir ' considerabl~mente las prinias . , de los segúros. Presión con la . TratarnieIl'to de Aguas•. .Los bomba operando t
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productos químicos que se.usan ~ para tratar el agua para beber y de proceso en sistemas industria les y municipales incluyen sulfato de cobre, carbón activaGaato Presión con do, cloro, alumbre, sulfatos de bomba Características: de la bomba operando ' con ..istema fierro, cloruro férrico, etc. ~scerrado tos se alimentan a la corriente FIG. 17-9. Características de del agua por varios métodos. presi6n para sistemas deali_ mentaci6n de ' agua, (Cortesw 'de Uno es el de la bomba de me. Power.) dición o proporción. Ene}· Ca. pítulo 3 se muestran varios disefíos . . Di~tribuci6n y Almacenamiento del Agua. Se usan los mismos tipos generales del sistema de distribución y almacenamiento de agua para sistemas industriales y municipales de suministro de aguas. El sistema industrial más común usa un tanque de almacenamiento elevado -alimentado por una il,lstalación de' .bombeo. El}' 'las plantas donde la capacidad de alma'cenainiento es demasiada para que. 'se hága en tanques elevados; se usan recipientes al nivel del piso. Los sistemas neumáticos se' encuentr~n en algunas instalaciones industriales más_pequeñas y cHando se requiere auxilio de presión o flujo. Los sistemas ~in tanque son relativa~ . mente escasos, excepto para plantas que se encuentran cerca de grandes cuerpos de agua fresca. Estos comentarios 'se el
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BOMBAS - SU SELECCIÓ.N y APLICACIÓN
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aplican igualmente a lá mayor . p#te dé los sistemas municipales de tamaño; peq,ueño y meW~no, excepto que algunas· vece.s ' se usan 'tanques"neumáticdgD.cuando se. desea elirrtinar . el"knque elevado por razones de éstética. La 'Fig. 17-9 muestra :'las" características .~e presión> qUe se obtienen. con ' tari..¡: qués. élevaq0.,s ysist~lI'ias cerrados. >~ . .
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Las bombas que manejan aguas de atarjea; sumidero, desperdicios y otros similares son casi siempre unidades centrífugas actualmente, debido a que éstas pueden manejar sólidos sin dificultad, tienen más eficiencia y se pueden fácilmente instalar en pozos, sumideros y otras localizaciones; Bombas Grandes. ' CUando se manej~n gtande~ canti. dades de aguas negras, es común la bomba vertical u horizontal de flujo mixto o axial. Éstas desarroJlan .columnas desde bajas a moderadas con grandes gastos .. Las t)omt)as carcasa 4e voluta y flujo, .. mixto (Fig. 1-5), se reco~ miendan para servicios en lasque se encuentran sóli- , dos o basuracpritenidos ep el líquido y la Unidad opera cQn un alto factor de carga. Las bombas elegidas para servicio de atarjeas frecuentenjentetienen un impulsor cerrado de tres álabes. En la Fig. 1-24 se FIG. 18-1. Impulsor ' cerrado tipo muestran impulsores típidrenaje inatascable de dos paletas. cos de flujo axial. Aun (Cortesía de Worth¡ngton Corp .) ' cu~ndo algunas .bombas ho. rizoiitales de flujo axiaJ y mixto se usan en servi,c;:io de atarjeas, la mayor parte de las bombas nuevas dee~t'e tipo instaladas hoy en día son unidades verticales. Las velocidades de : estas bombas grandes sori generalmente bajas .-dei or.', den de 200 a 1200 rpm. . .' . Bombas Inatascables. Las aguas sUcias pueden con . téner una gran ' variedad de sólidos -palos, ' trápos, rocas, . cabellos, etc.-~ Éstos pueden ' atascar la bomba ' y dañar
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las partes rotatorias o estacionarias reduciendo la eficiencia de la bomba o causando el paro de la unidad. · Para evitar . esto se ha desarrollado un gran número de bombas no atascabl~s -o inatascables-.Aun cuando los detalles de diseño difieren dé un fabricante a otro, la mayor parte ,de las bombas de este tipo tienen impulsores con dos o tres álabes con máximo (Fig. 18-1) o ninguno (Fig. 7-27). El impulsor puede ser cer~aao o abierto, pero el tipo cerrado parece ser más popular al presente. Generalmente el claro- entre los álabes
puede manejar( este tipó ,de · bomba ,sin atascarse. Así, sólidos de 10.12 ~dnde diámetro puedennorinalmente pasar a través de la bomba normal de 203 mm. Las bombas": inatascábles' para basura 'o aguas · negráS';se construyen". ya sea como ún'idades · horizontales o vertical~s. La Fig. 18J~ müestrauna 'Hombah6rizontal típica, y olaF'ig. 18-3 muesti-a uria bomba de' impulsor de' dos álabes tipo.,eemido, flecha extendida, 'vertical. La · tendencia actual 'en diseños dEi;~sistemas de atarjeas indica una decidida pféférencia hacik las bombas ,verticales en ~asi todo tipo dé inst.alaciones. La ,\ 'entaja de la: -instala:ciOttvertical in cluye I la necesidad de menor espacio de piso,. 'conexiones de tub~ria más simples y la posibilidad de usar flechas extendldas para -, aislar el motQr de la ,>, bomba. La Fig. 20~6 " muestra una instalación ' típica de bombas de " aguas negras de flecha ' vertical que maneja agua, de . tormenta. .También existen bombas de acoplamiento estrecho en este disefio. ' Pozos SecoS: y Moja-, dos. En un pozo seco (Fíg. 18-4), la bomba .' que puede ser vertical u horizontal, toma. su SUCO, ci6n, a través de un tubo, de una depresi6n o pozo mojado. El exterior' :'. de la bomba está seco en . . todo tiempo,permitien- , do la fácil inspección y , mantenimiento. Asimis- .,'· mo, h¡ly menos ,facilidad ' de corrosión en la carca'~ Sil de la bomba, flecha:; : chumaceras y otras ,par, FrG. 18·3. .Bomba de drenaje inatil~cátes. La unidad de la Fig. .'ble · pozo SéCO vertical de flecha .:exten18~4 está controlada por; .dida. (Cortesía de . The Weinman Pump flotador. ';:En algunas' · · . Mfg, Co,),
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FIG , 18·2. Bqmba . de drenaje de un · paso horizontal con la cubierta de la carcasa removida para mostrar el ·i mpulsor inatascabl e (Co)'te· sía de Buffalo Pumps, lnc.) .
es lo bastante grande para permitir la entrada de cualquier sólido en la bomba y su paso a través de la descarga, En ·algunos disefiosel tubo de succión es un 25 por ciento mayor que el de " d~scarga en otros, ambos son del mismo tamaño: La descarga más pequeña de las corrientes es generalmente de 7.6 cm aun cuando se han construido bombas de 51 y 38 mm. Los ta,mafios más pequefios se usan para manejar lodo llevan materias en suspensión. Es delgado <> liquidos que práctica común el sefialar el sólido del diámetro máximo que
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BOMBAS - SU SIlLECCIÓNY' APLICACIÓN
bombas ~ puede colocar una coladera patentl'lda ;e n el lado de desca l'ga. 'El líquido entra a ' su través cuando ~e para la bomba, ) los sólidos presentes quedan atrapados' mientras que el agua fluye a través de la bomba al pozo mojado. Cuando la bomba arranca, después de que el agua en el pozo mojado ha lcanzado un nivel predeterminado, se cierra una válvula de cheque arriba de la coladera y el agua de descarga arras .ra la materia sólida de la coladera hacia la línea de descarga. En un pozo mojado ,ll;l bomba está sumergida en el líquido que man0ja. La Fig. 1~2j muestra una bomba típica de esta clase, que puede instalárse en un sumidero de concreto o de . metal reJondo, cuadrado o rectangul~r. En los casos que una bomba no tenga la cap,a cidad suficiente, pueden usarse dos o más bombas en un ~olo pozo. Las instalaciones simples y dobles son populares para manejar agua de atarjea sumidetos, ,freá ticas y de drenaje, en edificios, plantas industriales, plantas de fuerza, etc. La mayor parte de las bombas de este tipo es t~ i l lubricadas por aceite o grasa y vienen provistas de una 'cola::era de succión que tiene un área de entrada de cuatro vece~, el agujero o entrada del impulsor. En sumideros de profundiJ ad mayor a 1.8 metros, generalmente se suministra una (:humacera intermedia para la transmisión mecánica de la bomba. Bom bas de Sumidero. Estas se conocen por muchos 110mbl'es diferente$. Bombas de pozo mojado, eyectores, bombas de sentina, bombas sanitarias, etc. La mayor parte de las "bombas para este servicio sop verticales (Fifs. 1-21 y 18-5), y pueden instal¡use ~plas o por pares: Éstas manejan aguas negras, ceáticas y drépajes de edificios perp en muchas instalacione8 manejan s<11amente freáticas y drenaje. En otras manejan "ólo drenaje de accesorios que se encuentran abajo de la líll :a de drenaje. Son comunes los im~ulsores abiertos no ataSt bIes. Elfabricante de la bomba sumir1istrará en muchos "asos, el tanque de sumidero con la bomba, si se le pide. En otroscas~s sólO se suministra la bomba m~~ntras que en algu s caso~ se suministran la bomba y,)a cgbierta del tanque. . as bombas de este tipo son casi si~mpre unidades de un solo paso debido a que los sólidos en el líquido interfieren con la operacióIJ, de la bomba .de varios pasos. Sin embargo se usan algunas bombas de dos pasos (Fig. 20-2). El su-
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. SERVICIOS DE ATARJEAS y SUMIDEROS
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midero a la entrada de la bomba d,ebe 'proveerse con, una rejilla para separar los sólidos y en general cuerpos extraños. Los pozos cilíndricos son probablemente los más comunes en plantas industriales y edificios comerciales. En 'trabajo marino, se usan tanques rectangulares para ahorrar espacio de piso. ,. Motor Tubo de escape,
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Bomba de sumidero profundo instalada en pozo seco.
Bombas Portátiles de Sumidero. En los últimos años ha salido al mercado un gran número de unidades de este tipo. La Fig. 18-6 muestra una bombapopula:r ,de este tipo que es completamente sumergible y necesita solamente dos conexiones, una al tubo de descarga y la otra: al motor. La
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bomba está provista con una agarradera para moverla fácilmente de un lugar a otro. Las bombas de este tipo son muy convenientes en plantas industriales, edificios ' comerciales e instalaciones similares. En la entrada se coloca una coladera para evitar la entrada de .sólidos. Unas patas cortas mantienen la trompa elevada sobre el piso. Las capacidades y co. lumnas son moderadas. Estaciones Subterráneas. Éstas se asemejan a los pozos secos y generalmente están provistas con dos bombas de atarjea verticales, de acoplamiento estrecho, inatascables. Se usan extensamente para extender líneas de drenaje a áreas nuevas. Las bombas, que operan alternativamente, toman el ugua de drenaje de una línea baja y lo descargan a un nivel Interruptor del flotador
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BOMBAS - SU SELECCIÓN ' Y APLICACIÓN
ci6n de la bomba, y el tubo de burbujas de aire se extiende dentro del pozo de succión. La cámara de la bomba, de acero soldado así COq1O el tubo .de entrada, bombas, controles, equi. pode arranque, etc., se lsuministran en estas estaciones. Una . bomba centrifuga de .sumidero pequeño se 'úsa para mante- · ner seca la cám~ra en todo¡tiempo. ·, . , . Recuperaci6it · de Escorias. La Fig. 18~7a muestra dos bombas turbin¿~ verticales 'que manéjan .agua asentada en imsistem.a de ¡recuperación de escoria:i~n una planta de a~ero. Estas umdadE'ls están controladas por , flotador y solamente manejan agua 'limpia. Los 'líquidos q\JE!, contienen abrasivo no se manejan OJ;dinariamentecon borñj~s turbinas verticales. En bombas turbinas verticales que nili:Iíejan líquidos que sean o puedan ser ;ligeramenteabrasivos ' se usan chumaceras' de hule (Fig. 18-7b). Bombas de Lodos• . Las bombas de diairagmas reciprocantes (Fig. 3-13), son adecuadas para manejar lodos de tanques de asent~miento y otras fuentes. Las capacidades varían del diámetro y número hasta 19 lp,s y. mayores, .dependiendo . ~
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de pozo mojado.
o. Bomba de sumidero portátil. (Cortesía d e K e neo, ' Ine.)
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superior, a una línea principal de drenaje o a ,un pozo de descarga. Se pueden obtener estaciones completam~nte equipadas, controladas automáticamente, de este tipo, con algunos fabricantes. Un sistema de burbuja de aire controla la opera- .
FIG. 18-7. (a) Bombas de Sumidero de turbina verticaL ( Cortesía de Ingersoll-Rand Co.). (b) Chumacera de hule para flecha y corte para bomba turbina vertical. :" ,
de diafragmas. Las bombas de émbolo con válvulas de tipo de esfera también encuentran mucho uso en el manejo de lodos. Éstas se asemejan a las bombas de diafragma (Fig. 3-13 ) , Y tienen una viga oscilante, con movimiento por banda V, excéntrico o por manivel. En muchas, la longitud de la carrere, es
BO~ - SU SEI..EpCIÓN y APLICACIÓN
ajusta ,le. Las capacidades ascienden hasta unos 35 ' mS ph 1\' coluIru. s ,de t21 m. . . . . S~ construyen varios tipos de bombas centrífugas para mane] r lodo. En uno de ellos, un ' tomillo de doble avance . y . corL dores en la carcasa e impulsor de la bomba cortan cuales~ uiera sólidos, cordeles, etc!, que · entren a la bomba. Las b o ;n~as pequefias de atarjea, inatascables , (Fig. 18-3), son ta!, tblén populares para manejar lodos. ,,;; , . Las bombas del tipo triturador se usan mu~h6 para ma-' nejar lí'lUidos que contienen palos, trapos, cordeles, etc. Estos sólidos son comunes en lodos de atarjeas. Esta ·bomba tiene un imi- :.dsor semiabierto de un solo álabe, provi~to de filos de corte autoafilables, que corta los, sólidos en pie~as pequefias, de manera que se puedan alimentara la bomba. Un anillo de corte estacionario en la cubierta de succión ayuda en
FlG, 18-8.
Evectorde drenaje neumátiq>:(Cortesía de Yoemans thers Co.). / .
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SERVICIOS DE ·ATARJ'EAS . .Y SUMIDEROS
de
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la acCión corte. Lascapacidadesvarian hasta 16 lps en columnas. hasta de 15 m. ., ; '. . . Eyectores Neumáticos. Éstos,·(Fig. 18~8)'~an~jan aguas negras y lodos en muchas instalaciones-estaciones de eleva. ción de aguas negras, plantas industriales para ,~atamiento . de desperdicios, así como hoteles y edificios de oficinas en donde el sótano se encuentra abajo de la línea de drenaje. Cuando el sótano está abajo de la línea de drenaje las aguab negras deben elevarse de las salidas más bajas ·y descargarse a la línea principal. Las aguas negras entran a un receptor .hennéticamente sellado, pennaneciendo allí hasta que se alcanza un nivel predetenninado. El aire ·comprimido es admitido al receptor y las aguas negras se descargan a través de una válvula de cheque Y' compuerta a la Hena. Este tipo de unidad viene completa con un compresor de. aire de álabe deslizante, enfriado por aire, controles, receptor, etc. Las capacidades de loseyectores neumáticos usuales varian de 0.12 a 126 lps dependielldo del tamaño. Las colunmas ascienden a unos 15 metros, con presiones de aire de 3.5 kg/cm 2• Los eyectores operados con agua se construyen para tamaños de succión y descarga dt! 38 a 102 mm. gstosno se usan tan extensamente como ei tipo neumático. .. Bombas de Recirculación. Manejan las salidas de filtros o tanques secund~rios bombeándolos a un tanque , de asentamiento primario, distribuidor o de dosjficaci6n.EI líquido es relativamente claro, con sólo pequeñas partícl,llas en suspensión. Por 10 tanto no existe la probabHidad de atascamiento y puede usarse una bomba turbina del tipo voluta o regenerativa de un solo paso. Cuando el flujo es grande --del orden de 1.9 m3 por día- puede usarse una bomba de impulsor vertical u horizontaL Las columnas para este servicio son bajas -alrededor de 3 m. . Bombas de Medición y Proporción. (Cap. 3) Se usan en plantas grandes y pequeñas, tales como para poblaciones, instituciones, plantas industriales y ' campos •. La clorinación para controlar el olor y la desinfección se hace. alimentando hipoclorurocon algún tipo de bomba de medición. En plantas granaes, de eliminación de aguas negras las. bombas de medición y proporción se usan para alimentar cloruros ferrosos o férricos en filtración al vacío. La Fig. 18~9 muestra una bomba de proporción típica para Illimentar químicos en sis'. temas de.,atarjeas o similares. Todas sus partes de bombeo
BOMBAS -SU SELEOCION y APLICACION
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se encuentran afuera de la carcasa, que encierra 'el mecanismo de operación. Puede montarse directamente sobre una bomba de vapor r~iprocante de acción directa. La carrera del alimentador ·s e·;ajusta cambiando el movinuento perdido entre las tuercas A y B. Otros usos para bombas ' de medición incluyen control de pH y muestreo de aguas ·negras. La capacidad de la unidad mostrada, con émbolos de .6.8 a 25 mm, varían de medio lt a 70 lt por hora a presiones de 350 kg/cm 2 •
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xiones de manguera de 13 mm y sUmideros ·de piso, 19 cada una; baños de ,regadera, 30; tinas de fregadero, 57. La capacidad parlf'maf'iejar . guas freáticasen'i sótanos y áreas simi. lares es variaql~, pero 3.4 IpslI ooo 'm~ de espacio de piso en pisos de tierra'l '.y 5.1 Ips/1.Q00 m2 en' pisos arenosos son co' , " , munes. ~stas,{ sin embargo" deb,en comprobarse cuidadosamente en el l)Jigar de erección del eaificio~ El escurrimiento varía con la cercanía del lugar a uritgran cuerpo de agua, un río o un higo. Cuando el régimen de infiltráción indica la posibilidad de inundación del sótano, los motores y controles deberán localizarse arriba del nivel mánmo del agua. Ver Cap. 20 para /discusión de bombas de drenaje de tormenta. Columna: 'I! Varía con la instalación. Las .bombas de drenaje grandes ,generalmente operan a columnas bajas ó mo- ' deradas, hasta. unos 15 m. E n instalaciones de bombas de sumidero;J a distancia del nivel más bajo del agua en el su· ' midero at!Punto más alto'de descarga, másla fricción de tuberia y accesorios, repreSenta la columna. Materiaks: ,La cons· trucc.ión ¡t~~td!tamentos de bronce, totalida? de bron?e y totalidad'''de merror son comunes. Los matenales especlales se usan'para drenajes extremadamente corrosivos.· Móvimiento: Los Illotores eléctricos y las máquinas de combustión in. tenia (C¡úe usan gas combustible de atarjéas) se usart exten~ samente. Aun cuando "se usa movimiento por turbina de va· por, éste no es tan común como los otros. También se usan a veces turbinas de agua. . Control: La actuaci6n del flotador de los controles de una b,omba es común, arrancando y~arando l~ bomba segúD se necesita. Ver Cap. 20. Número ll(e Bombro.: Para ser~ Vicio de atarjea y sumidero, gene'ralmentese instal.an y~rias ., bombas debido a que las .cargas vaídan ' mucho. El usar dos o más 'bombas permite la operación económica co una carg¡l parcial y da mayor seguridad debido a que la 1n11a de una bomba rÍo causa el paro 'completo de la instalad .:', -. Lubricación: Generalmente se usa lubricación por aceit0 o grasa en bombas que manejan , líquidos abrasivos, para evitar el des· gaste excesivÓ con el frotamiento . ..Tuberfa: .Se usan muchós inaterial~s:' di~ren~p~ril tubería .de drenaje -acero, hierro colado, concreto, plásticos, barro, ' etc.-. Así. que cuando se calcula la columna total sobre la bomba, hay que asegurarse
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, Palanca de mando
FIG. 18-9.
Bomba de medición para químicos.
Selección de Bombas. Capacidad: En bombas grandes de aguas negras, la capacidad se calcula encontrando la cantidad total de agua negra que entra a la línea principal de drenaje de todos, los alimentadores laterales conectados a éste. Lo mismo ' es cierto para unas más pequeñas, excepto que en este casóse :.neceltan menos accesorios, de plomería. El gasto para varios." accesorios de plomería en lpm por accesorio: inodoros, 22. 7; urinales, lavabos, tinas de batio, cone-
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SERVICIOS DE ATARJEAS y SUMIDEROS
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y Al1UCACIÓN
que se u, an las pérdidas de colUIlUla para el material real que se ha usado en la tubería. , E je m p ,:o : Una ,planta indust rial tiene 10 inodoros, 5 urinales, 5 regáderas. J tinas de fregadero y 20 sumideros de piso. ¿Qué capacidad
de bomba e requiere para manejar este gasto si la ,mitad se descarga al drenaj , y la mitad ' va a un pozo de sumidero antes de des argarse a un dren je elevado? S olución: El flujo tc)tal, usando los valores dados antes, es 10 (23) + 0 (19) + 5(30) + 3(57) + 20(19) = 1020 Ipm == 171ps., Puesto que 56lo la mitad de esta cantidad va al pozo del awbidero, la capacidad mín ima de, sumidero requerida es 17/2 8.5 If s. ' A esto debe agre¡;urse la capacidad para manejar , cualquier escuI' imiento o drenaje el! el edüicio. ' ' , Ejemp ¿·~ : E l , sumidero en la planta anterior sirve área de 1 000 m 2 ¿'~ \lé capaQidad de bombeo se requIere si la pi ' está edificada sob ~e piso de tierra? " ' ;( t ' ' S olucív¡t: La capacidad de bombeo para escurrimie ' '9 eri suelo de tierra \ .de 3A. lps/1 000 m 2• L~ego, la capac~dad es al,c0n 3.4 +3.4 =, lps. Este flUJO se agrega a la capacldad del 'drenaJe", o sea 8.5 \.l = ,11.9 Ip5. Una bQ,m ba con capacidad de, 12.6 Ips ~erá p ,\bablemente la elección para dar',un pequeño margen de se~~. ~ ~
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T am(; o d~ 'P9Z0: Una regla para plan~ar p , ~os industria les re; ,omienda, un tamaño con, una capacidad 'e almac!3namientc. igual por lo , menos dos , veces la capa' dad de. la ~ bomba el, litros por ~~uto. En el ' e~emplo ante . '¡. 'seria' ~~ 2( 7.56) 1 rH 2lt. Es. capacidad debe medirse ti~ los ·ni· veles alh ) y bajo en el 'Pozo. Si se elige un pozo dL53 m de diá etrc para esta instalación, su capacidad se ' de' 2 600 lt/m. de )rofundid~d.l)emanera que se necesit~ á una profundida e 0.60rp p~,r~ ~lmacenar 1512 lt entr ,los niveles de agua .tIta y baja eh:'la bomba,. CU,a ndo los t , bos dé drenaje que llegan al pozo corren bajó el piso, tal q0Ip0es frecuente eh edificios industriales y comerciales, la istanciaentre el nivjl delpiSo y:la parte inferior del tubo ' fbeelevarse a la profundidad de almacenamieritopara obten r'laprofun~ didad de n ivel de agua baja abajo dé la línea el piso. Los tubos de drenaje generalmente van a 60 cm~ a jo del piso. Además ebe darse por lo menos un margen de 30 cm entre la parte inferior- de la succión de la bomba y el iso del pozo. Ágregando estas dimensiones da 60 + 60 + 30 = 1.50 ID, o sea la profundidad mínima permisible para 'el lazo ' en esta planta. L ocalización del Pozo: La práctica usu es localizar
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el pozo cercano a un muro exterior de manera que el piso del sótano pueda inclinarse hacia el pozo, asegurando un drenaje positivo del agua de escurrimiento y de lavado. Si es posible, localícese el pozo en una esquina accesible en donde bomba se encuefltre protegida pero fácilmente accesible para inspección y mantenimiento.
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CAPiTULO 19
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ACO DICIONAMIENTO DE AIRE Y 'dALEFACCIóN I
Lo rápidos avances ¡ ~macondicionanii~Htb dé aire en 'los últimos años hltn llevado a un crecimientoerl6Íme en número ,' de insta at,:ioB¿s 'de todd tipo de edifiCios erll l6s Estildos' Unidos. Co 'Hina4~s con ltl"escasez de 8:gUl1 en ;'muchas áreas, el aument '.en é~,número . de·únidadeS;'de acÓfldfcionamientó de aire ha Ú"ado a un exténsivo de medio de conserVación de agua es
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;stro de Agua. Se usan fuentes de la ciudad; pozos o de s perficie en el acondicionamiento de aire para enfriamiento del aire y la condensación de refrigerantes y vapores. El gua del pozo ' es frecuentemente la más deseable debido a .q e ~s generalmente obtenible a temperaturas más bajas 9U~j agua ' de la ciudad o de:íl~}superficie en las regiones nortefi s de Estados :Un.idos. * J.t1ls tempe~aturas tipicas de agua d pozo en profundldades d~\60 m son como sigue: Florida del Sur, 25°C; ,Charleston, .S:): C~, 18°C; Norfolk, Va., " 17°C; Balt ore, Md.,14°C; New'i:F~;'ork, N. Y., 11 °C; Milwaukee, W ' ., 8°C; los Ángeles, ClilH., 19°C; .San Francisco Calif., 17° . Seattle, Wash., 11 °C.A profundidades mayores *
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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de 60 m, las temperat~ias del agua . aulJlent~ alrededor de 1°C por cada 34 m de profundidad. f: " , Uso c:e las Bombas. Se encuentran comúnmente cua. tro servL;ios en instalaciones de ail'e acondicionado para edificios 'ndustriaies y comerciales ~ institucionales. Éstos son : (1 ) ;uministro de agua, (2) circulación para lavado de ; aire, (3 ) !gua enfriada, (4) bombas ,de agua condensada. La mayor v áación ' existe Em el primer servicio debido a que el agua puece ser obtenibl(itde una o más)uentes: pozos, fuentes de 's1,lperf cie o A~enta~i6n de la ciudad. El Cap. 17 contien.e, tillH ' discusión, cqmprensiva d~ las bombas para suministro generaLé:I~ agua., Estas QQ,mbas pueden suministrar el sistema de aiJ;e. acondicionado además de otras cargas, pueden _ufiarse ~o~~a's ~eparadas de 108 mismos tipos descriQ tos. El agua fila clara, en cantidades suficientes es el único Í> requiaito del sistema usual de aire . acondicionado, desde el .' ~iiistro, Las.,.bombas ~entrífugas, co~ punto d. e vista" .de su aditamentos de bronce)son por lo tanto comunes, con relatIvamente Jocas bombas rotatorias y' ~eciprocat;ltes ,,,,.,,,... .,....__ .
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FIG. 19.-1. 3 0mba ~entrífuga del tipo voluta de un , p,a~o SUCClón SImple pa~a SC ~ vicio generál de agua. (Cortesía de De l/qual Steam Turbine Ca,)
ACONDICIONAMIENTO DE AIRE y CALEFACCIÓN
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Circulaciól.l para Lavado de Aire. Las bombas centrifugas de un solo paso de succión en el extremo, tipo voluta, acoplamiento estrecho, montadas sobre pedestal, hori'zontales Y verticales, movidas por motor, se usan ampliamente en lavadores de aire de tamaño pequeño ·y -mediano del tipo de aspersión. En aparatos grandes, son populares las bombas de voluta de impulsor horizontal divididas horizontalmente de un solo paso de succión' simple o doble, movidas por motor (Figs. 19~1 y 1·13). Algun/ils bombas v~rticales se usan también. Es práctica general al presente el dotar cada lavador de aire con una bomba individual. El líquido que Circula es una mezcla:.de agua ;enfriada y recirculada, y la 'cantidad se controla con una válvula de tres vías, en la línea de succión de la bomba. Libre de sólidos y relativamente no corrosiva, el agua se puede manejar fácilmente por bombas nonnales con aditamentos de bronce. Si el sistema de aire acondicionado se usa para calefacción en invierno, see~plel:ln las mismas bombas, excepto que éstas circulan agua tibia en lugar de agua enfriada. Los requisitos de capacidad y columna son prácticamente los mismos que para acondicionamiento de aire en verano. Las bombas horizohtales soh comunes para .lavadores de gran tamaño: las bombas verticales se usan frecuentemente con lavadores de aire pequeños para conservar I. . espacio. La columna que deben desarrollar las bombas de circulación de aire' lavado dependerá de la presión necesaria de las boquillas de aspersión y las pérdidas en la tubería y acceso. rios. Las boquillas usuales de aspersión operan a · presiones de entrada de 1 a 2.8 kg/cm 2• Frecuentemente se usa una coladera en la tubería de descarga de la bomba para evitar que los sólidos atasquen las boquillas de aspersión. Las pérdidas de columna en estos coladores no deben despreciarse cuando se calcula la columna total sobre lá bomba. Cuando la bomba de aire lavado recibe líquido de. la fuente de agua normal o deja bomba de agua enfriada bajo una columna positiva, deberá restarse en la columna,de la total que debe desarrollar. Los lavadores usuales de aire se diseñan para suministrar de 11 a 13.3 lpm por min y po~. m8 de aire. Las boquillas de aspersión tienen capacidades de 1.5 a 9.5 lpm por boquilla, dependiendo de su tamaño y la presión de entrada. Las boquillas de entrada para las placas eliminadoras ~ de lavado se arreglan para que operen a preSfones de 0.2L a
ACONDICION~IENT() DE AIRE Y CALEFACCIÓN 462
BOMBAS - Su. 8ELECCI~N , y APLICACIÓN
0.35 kg/cm 2 y se instalan en forma que entreguen 0.6 a 1.2 lps de agua por m de ancho del aparato . de lavado. Algu~ nas autoridades .r ecomiendan 21ps de agu~ de aspersión por banco de. placas y-por m 2 de sección transversal .del área del aparato de lavado. Es práctica común el montar la bomba
463
centrífuga ql.le s~ usa para circulación de agua es la unidad de carcasa ·. dividida verticalmente, de uno o varios pasos (Fig. 19-3). ';aditamentos de bronce para es~e servicio. d,'
.FIG. 19·2. Impulsor cerrado de doble succión y un paso con su flecha, anillos de cmpa~ue y baleros. (Cortes la de Weinnian Puinp Mlg. Co .). I
del aire lavad9 ya sea sobre o a lo largo de la unidad que sirve. La Fig. 19-2 muestra un impulsor típico usado en una bom,~ ha horizontal de
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FIG. 19-3. Bbmbs, ' de carcasa dividida verticalmente tres pasos, que tle arma en~ecciones y se une con tornillos. (Cortes,fa de FJconomy . Pumps, lne.) . '/
Bombas : de Agua Condensada. Estas bombas circulan el agua del suministro normal de la ciudad 'o una fuente de superficie O de pozo, o d~ torre de enfriamiento, al conden-
464
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BAS - BU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
sador que sirve a la unidad derefrigeraci6n que se usa ,en conjunto ~on el sis ~ ma de aire acondicionado. Las hombas con aditamentos de th:once, del mismo tipo de las discutidas para aire lavádo, se ¡san frecuentemente en sistemas de agua condensada. Sin em:;argo, la columna y capacidad requeridas pueden ser mayores que para se~icio de lavado , de aire. Los circuitos e torre dt~ ,e.r;tfriamiento tienen , K~ne~almente 6S 1 grados pOl min por ton. Con un régimen de~agua condensada de .18 lps por ton de refrigeración, el aumento de temperaturas en el e ndensador seria de 63/10.8 = 5.6°C. Muchas instalaciol1"__ de' ~ire ' ~ridicionado están ' disefiadas para flujos ' , de aguó 'oi'ldensada)en la región de 0.2 lps. La l; ' dmna que puede desarrollar incluye las pérdidas del conden¡, or, torre de enfriamiento, accesorios, tubería y cualqtli ~, Jlevaci6n estática. Cuando es posible, es conveniente diseñ,'l' el sistema de manera que hls bombas de agua fría y agua ,~ d condensador puedan auxiliarse con una sola unidad de ¡ :,erva. Para aumentar la columna contra la que opera la u ldad de reserva, cuando hay una diferencia marcada entre la columnas de los dos sistemas, se usa una placa perforada (, válvula de globo o de estranguladión en el sistema de men(, columna. En " ',os recientes las bombas regenerat~vas del tipo turbina se ,. 11 hecho populares para todo tipo de servicio de aire ,aco , cionad~. Igual que con otras bombas en servicio; éstas vk ~ a frecuentemente provistas q.e sellos We.cánicos en lugar del l.a npaque normal. Esto reduce lel mante~iiniento necesario. Cuando el agua fría en un sistema, de airEi, acondicio~a.~o recl úiere ~rata~e~to, se usan ' ~on fr~uen~~a bomb~s re~~proc . 'es de medIcIón o proporCIón (Cap. 3:): para ahm~ntar ¡:, ductos químicos y controlar el pB:. , " REFRIGERACIóN Cond, "adores de Evaponlcióit; Éstos han aumentado rápidame ) en número desde la introducción de nuevas reglas de 1 cirla escasez de agua en muchas ciudades. Las bombas n solo paso de succión por el extremo acopladas estrechan _, te a motor: :eléctricó, provistas <;on aditamentos de broncl. del tipo volJt:t a, montadas horizontal o vertical- ; mente, s opulares para este servicio. Freéuentemente suministra ¡mo equipo original con condensador de evapora-
ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Y CALEFACCIÓN
465
ción y se disefian para presiones de descarga en la región de ' 1.4 a 2.1 kg/cm 2 en capacidades de 1.6 ,a 9.5 lpm. Bombas de Salmuera. Se usan dos tipos generales de salmueras comúnmente: cloruro de calcio y cloruro de sodio. Las salmueras no electrolíticas incluyen los de glycoles, alcohol, acetona, varsol, etc. Las bombas de ' salmueras se asemejan a las uni(iades de agua enfriada descritas antes, excepto que se usan unidades totalmente de construcción de fierro para salmuera de cloruro de calcio y totahriente de bronce o con aditamentos de bronce para ',salmuera de cloruro de sodio. Cuando se calcula la columna contra la que trabajan las boml)as de salmuera nótese que la densidad de las salmueras es mayor que la del agua, variando de 1.04 hasta 1.29. Las bombas que manejan salmuera a baja temperatura ,generalmente están aisladas con corcho granulado. Una velocidad de salmuera de 1.5 a2.1 m/seg en laa tuberías se considera razonable. La ,columna desarrollada debe ser suficiente para vencer las pérdidas en SUcción Descarga el enfriador' de salmuera y los serpentines de enfriamiento alimentados por la bomba. Las bombas de turbina regenerativas se usan también para circulación .de salmueras a , temperaturas arriba y obajo de la de congelación. Las bombas para mezclado de salmueras se asemejan a las bombas de circulación de salmuera. Bombas Refrigerantes. En sistemas con camisa de vapor, el refrigerante es agua. La bomba FIG. 19-4. Bomba rotatoria sin de agua fría es la misma descrita engranes de doble impul s or, antes, pero la bomba de conden- (Cortesw de €co Engineering , Co.). 9sa do generalmente se asemeja a ' las unidades que para este ser- . vicio se describieron en el Cap. 11. Las bombas ~e condensado, frecuentemente con aditamentos de bronce, manejan , agua a cerca de 3S ci C. Su c"pn debe calcularse cuidadosamente debido a que toma SUCCIón del pozo caliente de condensacián.
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APUCACIÓN ACONDICIONAMIEN:I'O DE AIRE
Otros refrigerantes, como los freones, amonios, etano y propano, deben también bombearse en ciertas instalaciones de refrigeración y, en varias operaciones de manufactura. Algunas bombas', rotatorias, especialmente la del tipo de engrane externo (Cap. 2) son populares para este servicio. Las bombas turbinas regenera ti vas (Figs. 1-4 y 1-17a) y las bombas de potencia horizontal (Fig. 3-4') se usan también extensamente debido a sus características que son adecuadas para manejar refrigerantes. Otra bomba usada para este servicio es la · \midad dividida verticalmente · en la Fig. 19-3. En la Fig. ·19-4 s~ muestra una bomba rotatoria del tipo de . doble impulsor para manejar refrigerantes, salmuera, aCeite y muchos otros líquidos. Provista con un impulsor hecho de material sintético resiliente y operando dentro de una carcasa de bronce; la bomba no necesita lubricación. Puede operar en 'cualquier dirección, con lo que la succión se convierte en desdárga y viceversa. Cuando 8~ requiere altas diferencias de presión en sistema de refrigeración, pueden conectarse dos bombas de engranes ~xternos en serie para desarrollar hasta 21 kg/cm 2 • . . . Las bombas que manejan refrigerantes deben comprobarse cuidadosamente para csrm. Suminístrese una columna de f:ucción de por lo menos 2.4 m de líquido. La tubería de succión debe disefiarse de manera que haya poca ó ninguna posibilidad de acumulación de vapor. Los sellos ·mecánicos se usan frecuentemente en lugar de ·empaque. La generación excesiva de calor en la bomba debe evitarse. Las bombas de proceso y del tipo centrífuga de refinería también se usan para manejar refrigerantes. Para temperaturas extremadamente baja~, . el sello mecánico usado en estas y otras born- . bas debe ser de materiales especiales para evitar que el material se vuelva quebradizo a · bajas temperaturas. . TORRES Y POZOS DE ENFRIAMIENTO Torres Pequeñas. Éstas usan comúnmente bombas hori zontales o: verticales de un solo paso, succión en el extremo, tipo voluta,. acopladas estrechamente al motor, con aditamentos de bronce, similares a los condensadores de evaporación. Se usa generalmente una bomba por torre, la bomba suministrada generalmente con equipo original con la torre.
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CALEFACCIÓN
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FIel. 19·5. Disposición de movi~ientos para bombas turbinas · vertica'. res: . motor eléctrÍco,·, cabez~l ,de ·engranes 'a ángulo recto, banda V, banda plan". turbina de vapor\ motor de !ij,echa ' s61ida combinación de . motor ci· turb~na con cabe,zal . de engránes. (Cor.test~ de PeerleBl Pump Division, Food Mf;lchin ery and Chemical Corp .) , , .:', ~ ... . . ' : ,'
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La capacidad de la bomba .es tan frecUentemente en la región de 6.3 lps y lat;F0lUIlma es 'de alredeQGt de ·30~5 · m. Torres G~,ndes. L~ reciente escasez de . agua ha ,estimulado el uso,de grandes torres en los Estado~ Unidos para muchos servicios -refrigeración, plantas de ·fuerza de vapor, plantas de máquinas de combustión interna, etc.-. Con estas torres la instalación de bombeo es generalmente extensa, 'con dos o más bombas por torre: en algunas instalaciones pueden usarse. una docena de bombas de alta 'capacidad y alta . ", ' . columna. Las bombas de turbitia. ~e varios pasos verticales, acopladas estrechamente con aditamentos de bronce (Fig. 7-16 y Cap. 17) son sumamenté populares para torres grandes de enfriamiento debido a que req uisren poco espacio, siempre están ::.c ebadas y son fáciles de acomodar en el depósito usual de la .torre. ·Lasunidades lub~cádas pq:~ agua se recomiendan generalmente, pero puede también usarse el tino de lubricación por aceite. La Fig. 19-5 muestra siete tip~s diferentes de disposiciones · de movimiento usado ~ Las bombas del tipo voluta divididas horizontalmente de un solo paso, doble succión y movidas por motor eléctrico (Fig. 1-13) se aplican también .para circulación de agua de torre de enfriamiento. Las bombas reciprocantes de medición o proporción
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BOMBAS':' SU SELECCIÓN ,y APLICACIÓN
ACÓNDICION AMIENTO DE AIRE
(Cap. 3) se emplean para alimentar productos químicos en el tratamiento, del agpa de las torres. Los regíihenE*¡:" de \circulación de la torre varían con los , , proC~solC que sirven. tas unidades refrigerantes normales de , compresión mecánica ci,fculan .18 IpS' por 'ton de refrigeración. ,Las unidades de' chor~p:;pe vapor .,57 lpspor ton. Las máquinas diesel .03 Ips pozl:,¡fip; Las plantas de fuerza de vapor; .036 lps por kw. Al calcular la columna ' de la bomba, nótese que el agJla debe ,;entregarse en el nivel superior de, la torre. ' , Pozos de EnfriaU'*~nto. Eri pozos de enfriamiento se usan tanto bombas holizontales como verticales. Pero debido " a la pequefia elevación requerida en pozos, la ,bomba horizon' tal de uso general (Fig~ 1-13) se usan con más frecuencia ' que la bomba vertic;:aL Las boquillas de ,aspersión usuales que se emplean en pozos de enfriamiento l'equieren una presion de entrada de .035 ,a .07 kg/cm 2 .Las boquillas están espaciadas a intervalos de 1.8 a 3.6 m cada' boquilla descarga 1.6 a 3.2 lps, dependiendo de su tamafio.~ , :, "• );1
CALEFA.CCIóN
DE ~DIFIC![OS '
Se u; ." comúnmente dos tipos de bombas en sistemas de de "edificios: bombas de ' circulación de agua ca. calefacci
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Iiente y bombas de retorno de condensado. El p~mer tipo es invariablemente una bomba centríf1Jga , de disei)o similar al de las' Figs. 1-17a o 1-2Q. Estas bombas; con aciítameIitos de bronce, están equipadas frecuentemente con Jln s,ello"mecáni. co para reducir ,a un mínimo el mantenimie~tqi.' Quando se lubrican por~ceite, tienen un tanque de : reserv:a de aceite para 'permitir la operaci6~ sin atención ,por:. lar~~s periodos . Siendo bombas de un solo paso y con, succión l~teral; pueden instálarse en la tubería sin ,usar dobleces o codos. Las bomb~~ como la ilustrada en la Fig. 1-20 se usan frecuentemen,te para elevar la presión de agua en e~ificios. Combinaciones" der.ondensación. (Fig 1~~6) Seconstruyen en varios diseños diferentes, pero el tipo centrífugo es el más popular al presente. Para sistemas de calefacción con gravedad, ,el grupo de con,densación consiste generalmente de umi o dos bombas "centrífugas con aditamentos de bronce, de un solo paso y un receptor de fierro colado con un interr\,lptor automático del flotador paraarl'ancar y;parar la bomba. Algunas bombas rotatorias, de turbina regenerativa y reciprocantes, se construyen también para este servicio. Es práctica co~ún el dimensionar el receptor de manera que tenga una capacidad de almacenamiento de alrededor de 1.5 veces la capacidad en .lpm del condensado que ' regresa del sistema durante los períodos normales de paro de la bomba ob'omba~: La bomba tiene una capacidad ,de tres ,a cuatro veces el régimen de retorno, en lpm. Muchas bombas normal~s para este servicio tienen una capacidad de 1.,02 lps por , 1 qoo m~ de radiación directa equivalente (rde). , Las bombas de retorno de condensado deben usarse siempre que la columna de gravedad existente no ' pueda regresar ,' el agua a la caldera. Las bombas verticales de condensación y los receptores con control de flotador se pueden obtener para las instalaciones en las cuales la línea de retorno se encuentra abajo del nivel del piso de la planta o demasiado bajas para bombas horizontales. Su instalación se asemeja a la bomba de sumidero en la Fig. 18-5. Muchas bombas de retorno de condensado están movidas por motor eléctrico, pero también se usa movimiento por turbina. Los grupos de conqensación normal horizontales ' y vertical~s, simplex y duplex se construyen en capacidades hasta 14 000 m ~ rde, Las bombas de turbina regenerativas se usan también para
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ACONDICIONAMIENTO DE AIRE "
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACI6N
des hasta 9.46 lps. En lugar de una bomba separada para aire, la unidad en la Fig/ :¡'~19 ' tiene un tubo venturi a través del cual descarga la bomba ' 'de líquido, creando un vacío. Este vacío extr~e el aire y el' condensado del sistema de i2a_ léfacción. Pueden ' usarse una o' dos bombas, dependiendo' de capaddades la capacidad deseada. Éstas se construyen hasta 9300 m 2 rde. En afios recientes se han construido muchas bombas de calentamiento de vacío para descargar a presiones de hasta 7 kg/cm 2 para eliminar la necesidad de una bomba separada para alimentación de caldera entre la bomba de vacío y la caldera. ., Otro diseño de la bomba de la Fig. 1~-7 tiene sus impulsores de extr~cción de aire y condensado ~~bre una" sola flecha (Fig. 23"7) . La capacidad de condensado y aire son completamente independientes entre sí. ! Las bombas de caleQtamiento de v~cío, reciprocan tes, . 3e usan en algunas plantas. Éstas son simplex o duplex y tienen un tanque de separación de aire en su descarga. El desplaza. miento de la bomba deberá ser de seis a diez veces el flujo de volumen de condensado del sistema. La bomba puede. ser movida por vapor o motor. Todas las .bombas de calerltamient6 duplex reciprocan tes o centrífugas, pueden operar solas o en grupo, dependiendo de la carga. Agua a la Alta Temperatura. De uso extenso en Europa en los últimos 30 años, los sistemas de calentamiento .de agua a tempera t ú ras y presiones altas están ganando popularidad en los Estados Unidos. Las bombas usadas para este servicio son i';generalmente unidades movidas por motor, de un solo pasÓ; una sola entrada, 1 750 rpm con aditamentos de bronce pIna columna de 45 m con chumaceras y empaques enfriadas por agua. Los sellos mecánicos se están populárizando para estas bombas. Frecuentemente se usan dos bombas en instalaciones para calentamiento de espacio, tres si las cargas fluctúan mucho. Cuando hay peligro de una falla de la energía de alimentación, una de las bombas está movida por turbina. Nótese que las bombas /en este servicio manejan volúmenes de agua mucho mayores que las de trabajo en baja temperatura debido a que la densidad del agua disminuye conforme aumenta la temperatura. Una conexión controlada I
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FIG . 19-7. Grupo de calentamiento de vacío; tiene bomba separada para aire y condensado. (Cortesía de Nash Engineering Ca.) . ·
servicio de retorno de cohdensado eQ grupos similares a los descritos antes. Bombas de Calentamiento al Vacío. Éstas (Figs. 19-7 v 1-19) se usan en sistemas de calentamiento de vacío para ~liminar aire y condensado 'de la tubería. Las bombas de bajo vacío mantienen un vacío ' de 140 mm Hg o menos en el sistema. Las Bombas de alto Vacío mantienert un vacío superior o. 140 mm Hg. Con condensados a 71 °C, la bomba debe manejar un mínimo de .09 m' /min de aire y 0.34 lps por 1 000 m' de rde a '140 mm Hg de vacío. Pero para aplicaciones usuales un fabricante recomienda las siguientes capacidades por cada 100 m'2 de rde: una sola bomba, .068 a .085 lps y .030 ffi'1/ miri bombas duplex, .068 lps y .022 m 3 /min. Ambos datos anteriores se entienden a 254 mm Hg de vacío. Para sistemas subatmosféricos a 508 mm Hg de vacío, la capacidad en aire deberá ser .060 m~ /min para una sola bomba y .030 a .060 m' / min para bombas duplex. La unidad de la Fig. 19-7 está provista con un a o dos bombas de aire, un receptor, una .0 dos bombas de condensa. do y controles automáticos para cada bomba o grupo de bombas . Las bombas de aire y condensado se controlan independientemente, y la bomba de aire es del tipo de pistón líquido (Fig. 23-7). La bomba de condensado es del tipo de un· solo paso. Están const ruidas como simplex o duplex, a capacida-
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
manualmente entre la descarga y la succión de la bomba tiene por objeto eyitar la vaporización en la línea de succión. La columna de la bomba' se calcula . us~ndo la . resistencia del circui.to índice. que es la carrera' larga de suministro y retomo del sistema. A. esto debe .agregarse l~ re~istencÍfi de l.a .caldera, equipo calentado, accesorios, etc. ' ,
más
CAP
f TU LO ' 20
IRRIGACIóN y CONTROL DE AVENIDAS ¡ O,
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Estos servicios son, en general, caracteri~adº§ por dos requisitos: grandes gastos de agua a column~§ rel~tivamente bajas o moderadas. La irrigación actual, d,renaj@ de tierras y control de avenidas está . basada en datos dentifjcos exactos. Como resultado, es posible predecir con may()r e~actitud la cantidad de agua necesaria y de ésta elegir la clase y. tipo de bombas más adecuada a los requisitos existentes. Tipo de Irrigación •. Se USan cl,latro tipos comunes de sistemas de irrigación a.la fecha: (1) vaso de ' retención, (2) bordes o cheques, (3) surcos, ' (4) aspersión. Desde el punto de vista de la bomba los primeros tres sistemas requieren la menor cantidad de columna, una vez que el agua ~e ha sacado de la fuente del suelo o de la superficie. El último sistema, aspersión, puede requerir mayores columnas, debido a las pérdidas de tubería entre da bomba y los aspersores, y la colu,mna de presión requerida en la entrada misma de los aspersores. La presión mínima ~e aspersor requerida varía de 1.4 a7' kg/cm~. Las boquillas más grandes usan presiones más altas. La columna que debe desarrollar una bomba ' en servÍcio de irrigación puede ser alta si el agua se obtiene de un pozo profundo. Pero con fuentes de supérfieie o pozos no profundos, la columna requerida es generalmente baja. Bombas. Se usan varios tipos diferentes de bombas para irrigación. Éstas varían desde las unidades portátiles montadas en tractores a las grandes bombas de impulsor o flujo mixto. ~ucho depende del tipo de irrigación que se desarrolle, fuerites de suministro de aguas, condiciones climatológicas, etc~ Las bombas reciprocantes y rotatorias encuentran relativamente poco uso en irrigación a la fecha ' debido a que no tienen las características requeridas para este servicio. 'Las bombas portátiles con su propia fuente de poder para irrigación se asemejan a la unidad m03trada en la Fig. 21-6, Éstas son generalmente autocebantes. Se construyen bombas
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mRIGACIÓN y CONTROL
BOMBAS - 8U 8ELECCIÓN y APLICACIÓN
Bomba de irrigación movida por motor directamente acoplado, en :eI momento de cebarse.
Las bombas de turbina verticales encuentran un uso muy extenso en muchas partes de Estados Unidos. Estas son quizá las que más. se aplican a servicios de pozos profundos, ysu descarga se conduce por medios adecuados a los campos que se desean irrigar. Las bombas verticales del tipo turbina, de acoplamiento estrecho, se usan frecuentemente como elevadoras para irrigación 'de tierra cuando el agua llega al campo a presión muy baja. En áreas más allá del alcance de las líneas de energía eléctrica, estas bombas frecuentemente están operadas por máq uinas diesel o de gasolina. Las bombas turbinas verticales se eligen generalmente cuando el gasto req uerido es bajo 9 moderado y la columna es alta, Esta es la característica más común de los pozos profundos. Las bombas operadas por , motor eléctrico y de acoplamiento estrecho encuentran alguna aplicación para irrigación, ya sea como unidades montadas permanentemente (Fig.
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20.1), acamo unidadestem'pbrales montadas: sóbre vigas in~ clinadas del banco al · río~',(r.lagú. Con lar segund,a. .disposiciÓn, se lisa una determinada 'longitud 'de' tubo flexible de déscarga entre la bomba 'y el tubó qU~ , va al' dampb. Estopermíte que la bomba pueda elevarse o bajarse sobre .las vigas cuando cambia el nivel ,del agua. ", '
similares, sin motor, para unión temporal a la flecha de un tractor. Las capacidades de las bombas portátiles para irrigación ascienden a 380 lpm. Para irrigación de aspersión se usan frecuentemente bombas de dos pasos del tipo voluta movidas por motor de gasolina.
FIG , 20-1.
DE 'AVENIOÁS '
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, , La:s bombas sumergibles (Cap. 17) encuentran alguna aplicación para suministro dé agua de irrigación. Las bombas sumergibles de impulsor,populares para desagües de diques secos, se usan también en 'algunos proyectosdegra'n i~riga ción. Una bomba de impulsor sumergible típica de 60 cms maneja 2 525 lps con una columna de 12 m mientras que una bomba de 40 cm del mismo diseño maneja 505 lps a 15 ro de columna. ' -.. Las bombas de impulsor normales ' de un ' solo paso y de varios pasos (Fig. 20-2A YB), Y bombas de flujo axial '(20 .. 2C) son muy populares para elevaciones de bajas a moderadás y en grandes capacidades. Según lo indican las ilustraciones, las bombas de este tipo se disponen generalmente de manera que 's'e soporten sqbre patas abajo del motor, y la columna se extiende hacia abajo pasta el agua. La distancia entre el codo ,
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BO~BA8~ su. SELECCIÓN y AP~CACIÓN
de. descarga . y , eJ.,motor: puede v.~~iarsesi se desea~E$to permit~. ,la colocraci~~).del motor .arriba del nivel .;más alto d~l agua. Pueden, usarse. clisefios lubricados, por agua o por aceite. Ordinariamen~e; las .bombas con aditamentos de bronce sir- . ven para muchos servicios de irrigación. La m::lyor parte de las bombas de este tipo son fácilmente soporta las en estructuras de acero relativamente ligeras. Las bombas de acequia, son bombas de impulsor de bajo prec·o, de disefio normalizado, construidas para columnas hastal;J unos 6 m y capaCidades de hasta 630 lps. Las bombas de (J ique inclinado son unidades del tipo de :impulsor disefiadas para soportarse en la cara inclinada del dique; se instalan generalmente dentro de un tubo protector; por ejemplo, una bomba de 51 cm se inserta en un tubo de 86 cm, una de 40 cm en un tubo de 71 cm y una"de 36 cm en un tubo d~ 61 cm. El tubo puede montarse 'sobre un trineo de madera simple para permitir el movimiento fácil y seguro de l,a bomba dentro o· fuera del agua. FrecU~ntemente se co~strúye una caseta simple sobre el extremo superior de la bomba para protegerel motor. La bomba de dique inclinado tiene un costo de instalación extremadamente bajo. Las bombas de agua de salida son unidades de turbina verticales de un solo' paso disefia'das para recuperar agua de irrigación de salida. Un fabricante construye estas unidades en cuatro disefios normalizados, lubricados por aceite: 2, 3, 5 y 7.5 hp. Cada uná se puede obtener en tres longitudes -1.8, 3.6 y 7.2 m-o La bomba está disefiada para operar en un sumidero del cual el agua de salida ' se bombea nuevamente a las piezas altas para volverse a u,sar, conservando la fuente del agua y pel'Il}itiendo una mejor irrigación. Las capacidades varian hasta 63 lps; .las columnas de. 4.5 a 9 m. Para columnas menores en estas capacidades se usa .una bomba de acequia. Selección de Bomba. Capacidad: Ésta varía con las plantas sembradas cantidad de humedad ~n el suelo, condiciones climatológicas, etc. Las regiones áridas requieren de · 10200 a 1500000 m;'/km"jafio. Para encontrar la cantidad de ' agua necesaria para irrigación, réstese del total la cantidad de agua necesitada para la cosecha, la humedad del suelo, y la producida por las lluvias. La cant,i dadque representa la unidad bá~ca. en iri"igación esla hectár~a-c,m = 100 m3 = 139 \
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IRRIGAC¡ÓN y CONTROL DE AVENIDAS
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lpm pOr día de bombeo de 12 h = 0.243 sec-pie = -0.242 acrepie. Todos los demás múltiplos se derivan fácilmente de esta unidad. Las cosechas' tales como remolacha, patata, alfalfa, maíz, t rigo, avena, cebada, chícharo y frijol requieren , de 4,1 a 14.4 ha-cm por hectárea por año. Los requisitos exactos se pueden obtener en textos de irrigación. Las pérdidas de agua en irrigación por aspersión son de 20 a 40 por ciento en climas fríos o calientes, respectivamente. Esta pérdida puede reemplazarse suministrando agua adicional al campo. Multiplíquese el número de aspersores por el gasto-en cada uno para encontrar el flujo total requerido. ' Agrég1,lese alrededor de 2 por ciento por fugas. Los aspersores descargan de .06 a 1.6 Ips, dependiel1:do del tamafio, presión interna, etc. . Ejemplo: ¿Qué capacidad de bombeo se necesita para aplicar 7.6 cm de agua a un campo de 4.04 hectárea en 15 h? ¿Cuál es el ga¡;to por aspersor si se usan 200?· . Solución: Capacidad , lps =:= 27.6 (profundidad del agua, cm) (á rell. hectáreas) jtiempo, h. En esta ecuación, el valor 27.6 es una con¡:;· tanteo O bien, la capacidad, Ips 27.6 (7.6) (4.04) /15 56.8 Ips. L ugo, el flujo por aspersor = (flujo total) / (número de aspersores == =56.8/200 = ,284 Ips por aspersor.
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Columna: En irrigación horizontal, cuando la inclinación del terreno propicia la corriente del agua, la . bomba necesita desarrollar solamente la ~olumna suficiente para elevar el agua al punto de distribución. Esto puede ser un área central en una pequefia instalación. En granjas grandes, el agua se entuba hasta la cabeza de salida, de donde corre hacia el campo, Las pérdidas de tubería y accesorios, pérdidas de columna en la salida y pérdida de elevación de succión pueden entonces calcularse usando la máxima carrera como circuito índice. Los asp~rsores requieren \lna presión de entrada de 1.8 a 7 kgjcm", con las mayores presiones en los aspersores ·mayores debido a que su descarga es mayor. La bomba debe desarrollar un u columna suficiente para vencer la elevación de succión y ia fricción en la tubería, accesorios y laterales (alrededor de 1.4 kg/cm :! ) y entregar el agua a las boquillas a la presión necesaria. En sistemas de aspersión existentes puede requerirse una bomba de aumento de presión si la presente, no desarrolla la presión suficiente. Esta es frecuentemente una. bomba tu rbina vertical de acoplamiento estrecho. Ver Capítulo 4 para cálculos de columna.
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BOMBAS - SU SElECCIÓN Y APLICACIÓN
M ateriales: ,Las bombas con aditamentos de bronce son adecuadas para la mayor parte de aguas limpias, aun cuando se usa también la construcción totalmente de bronce o totalmente de fierro. Ver Cap. 6. Movimientos: motor eléc, trico, de gasolina ,o diesel, así como las turbinas de vapor son populares particularmente los dos primeros cuyo ,uso parece aumentar. CSPN: , Hay que suministrar la mayor 'cspn posible particularmente en bombas horizontales., Control: El control de arranque y parada es probablemente el más común ', debido a que no se mecesita una exactitud extrema en el cálcu~ , lo del gasto. Tubería: En bombas portátiles, las acequias de campo deben s,er lo bastante profundas para sumergir la coladera de succión la válvula de pie. Debe colocarse una cola-o dera cónica o combada al tubo de succión de la bomba. Para los aspersores, dimensiones en la línea principal para pérdida~ de 0.7 kg/cm 2 , o menos. Úsese un tamaño mayor de tubería cuando la suma de la carga de reserva, costo, horarÍo de bombeo y costo de la bomba exceden el costo extra del siguiente tamaño de túberÍa. La Johnston Pump Company recomienda tubo de 71 mm para 3.2 a 6.3 lps, 102 mm para 6.3 a 12.6 lps, 127 mm para i2.1 a 22.9 lps y 153 mm para 22.1 a 37 lps. Las lineas portátiles de suministro no sOn adecuadas para gastos que excedan de 37 lps. Costo de Bombeo. El costo total varía entre unos 12 y ' 48 dólares por hectárea-cm por estación' a bombas movidas por motor eléctrico.
DRENAJE Y CONTROL DE AVENIDAS Bombas de Drenaje. La recuperación de tierras por medio del drenaje planeado es una fase importante en la obtención de mayor superfide ' de labranza. El servicio de drenaje se asemeja a la irrigación en muchos respectos: las elevaciones son de bajas' a moderadas y la capacidad requerida es genel'almentecrecida. Las bombas de impulsor verticales, flujos mixtos y axiales así como las inatascablesy las unida~ des horizontales son populares para este servicio. En años recien tes las bombas verticales parecen haber ganado terreno en algunas áreas debido a que requieren menor espacio, tienen altas eficiencias y son relativamente fáciles de instalar. Las bombas de flujo mixto se usan frecuentemente cuando la edevación es de 9 a 18 m.
IRRIGACIÓN Y CO~TROL DE AVE~IDAS
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,La Fig. 20~3 muestra una botnba ,de impulsor verticIÚ ' tí~ pica montada en el banco de una acequia de drenaje. El motor tiene baleros sellados en grasa y la i'nstalación en general se asemeja a una 'bomba de dique inclinadó" descrita antes, 'excepto que no se ' , usa un tubo cerrado para ' , la bomba. En ¡ las Figs> 7,40 'y 7-41 se~ muestran otras dos instalaciones tí~ picas de bombas de drenaje. Como lo muestran estas instalaciones, la ele- ' vación requeripa es gene, ralmente de baja a moderada. Algunas ,estaciones, de drenaje gr~ndes la's opera el gobierno de Es~' tados Unidos para resca~ ' FIG . 20·3. 'Bomba de impulsor verti· tar o proteger varias áreas cal en montaje inclinado.' (Cortesía de de terrenos. La Fig. 20-4 Johnston Pump Co). muestra una estación típica de éste t mo en Florida. El interior de la estación se muestra en: la .'F'ig. 8-15. Contro( de ' Avenidas. Las funcion~sde drenaje y control de avenidas se combirian frecuentemente en una sola estación, cuando existen ambas necesidades. Este es el objeto de las esta'ciones de las Figs. 20-4, 20-5 y ,8-15. Éstas suministran también agua para objeto de irrigación. Las bombas de la estación en la Fig. 20-4 son unidadfi!s horizontales de flujo axial mientras que las' deJa Fig. 20~ 5 son unidades de impulsor verticales. ' Las bombas norriúllizaclás se usan para estaciones pequeñas y medianas, per::> en las estaciones ' grandes las bombas son frecuentemente diseñadas ,especialmente para el sitio, estación y condiciones de flujo particulares. Las bombas de flecha extendida (Cap. 18h encuentran muchas aplicaciones en estaciones pequeñas de drenaje, control de avenidas e irrigación. , Selección de Bombas. Capacidad: En los casos ' de sistema de drenaje con superficie de pizarra el gasto de agua que debe manejar la bomba es alrededor de 1.09 lps por ha, en el caso de acequias o dr~na j e de superficie de pizarra así como cosechas de campo, 1.59 Ipa por ha y en el caso de co-, .r: ,
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BOMBAS';" SU ,SELECCIÓN Y APLICACIÓN
FIG. 20-4. Lado de succión de la estación · más grande del mund~ d~ poca elevación. para control de avenidas e irrigación. (Cortesía de Fair. banks M orBe and Co.) .
sechas transportables, 2.34 lps por ha. L~ capacidad en cua l quier instalación de drenaje o control de avenidas debe in. cluir la corriente pOi' gravedad además de escurrimiento. Lós registros v datos de Geololl."ical Survey, Weather Bureau, Soil \---~\.o------"\;
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Dique
Tubo de drenÁje
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Elevación de la sección a través de' .a planta de bombeo
FIG. 20-5,
Estación típica de bombeo para drenaje de titlrra. (Cortesía '. de Johnston . Pump Co.),' ' : . ' t I,.
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IRRIGACIÓN Y CONTROL DE- AVENIDAS
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Conservation Service y el Cuerpo de Ingenieros del E jército (U. S. Army Corps of Engineers) de los Esta~os Unidos son muy valiosos para determinar la capacidad reque~ida de bombeo. En general, el fabricante de la bOJ;¡ba debe cont;\r con datos, . de los cuales calculará . la capacidad de la bomba de manera que pueda comprobar sus disefios; Estos datos deberán incluir los casos de alta y baja corriente, corriente de gravedad, coeficiente de drenaje,escurrimientos, tipo de suelo y columna de bombeo a diferentes etapas de corrientes. Columna: Esta varía con la instalación de la bomba (Figs. 20-3 y 20-5). Sin embargo, la mayor parte de las bombas de drenaje o control de avenidas operan a columnas bajas - hasta unos 18 m-o Hay que asegurarse que se calcula la columna para las condiciones de nivel mínimo del agua. Los sifones (Cap. 4), pueden usarse con ventaja. Materiales: Las bombas con aditamentos de bronce son satisfactorios excepto para líquidos sumamente abrasivos en donde se req uieren materiales especiales. Movimiento: Pueden usarse motores eléctricos, máquinas de combustión interna o turbinas de va. por. CSPN: Suminístrese por lo menos la mínima requerida. Control:. Son comunes los controles de arrancar y parar con flotador y de velocidad variable. Unas cuantas bombas usan aletas de impulsor ajustables para variar ya sea la columna o la capacidad. Esto suministra una alta eficiencia en una amplia región de condiciones de operación. Empaques: Los Co llarines de hule simples son populares en las bombas de columna reduCi.da. Número de Bombas: Cuando la variación en la columna es ligera, por ejemplo unos 3 m, es satisfactoria una sola bombao'a menos que no tenga suficiente capacidad. En estos . casos deberán usarse unidades duplicadas · para obtener la capacidad deseada. Pero cuando la variación qe elevación es mayor, por ejemplo 7.5 m o más, pueden usarse dos o más bombas. Elíjase una para las condiciones de alta columna , una para columna mediana y posiblemente una tercera para las condiciones de baja cJlumna. La unidad de alta columna es con frecuencia una bomba de flujo mixto, mientras que las bombas de columna baja o mediana son del tipo de im. pulsor. EstJ permite la operación de cada bomba en la región de columna de su máxima eficiencia. Una disposición alternativa es usar. una sola bomba con un movimiento de velocidad variable. Esto es popular con muchos ingenieros. Tub ería'
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IRRIGACIÓN Y CONTROL DE AVENIDAS
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Hay que prever la protección por erosión para Jos extremos de succión y descarga. Hay que colocar parrillas para retenci6n de basura en el lado de succión. Pueden usarse compuertas y vex:tedores para tener flujo POr gravedad en el caso de alto nivel de agua, permitiendo para las bowbas. ~
DRENAJE DE TORMENTA
Dos ciudades en que ocurre esto son Nueva Orleans, ~., y Detroit, Mich.: Las bomba~ de flujo mixto verticales (Fig. 20-6), o bombas de impulsor de tipo difusor, flujo axial (Fig. 20-7) , se usan frecuentemente para este serviCio. Para obtener el máximo de seguridad, la atarjea de entrada de agua de lluvia se lleva a un gra:n sumidero profundo ( frecuentemente llamado pozo), de donpe las bombas toman su succión. La conducci6n .
El control de avenidas es una cuestión de las autoridades. estatales o federales debido a que un área ' considera, . que posiblemente cubre uno o más estados, se vea afectada pOi' ella . Pero el drenaje de calles y caminos en pueblos y ciuda. des es cuestión de autoridades locales, especialmente en áreas en las que son frecuentes las lluvias copiosas. El flujo por gravedad da los medios para drenar el agua de-lluvia en mu-
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FIG. 20-6. Hombatl de flujo mIxto para servIcio de agua de tormenta. (Cortesía de Worthington Corp.). Paletas ," tlitu.oras
chos lugares. Estos son adecuados si las atarjeas principales y laterales son lo bastante grandes para manejar el flujo. Así mismo, éstas deben agrandarse a intervalos regulares para mantenerse al ritmo del crecimiento de la ciudad. Sin embargo, algunas ciudades y pueblos se encuentran en áreas en donde el agua no puede drenarse por gravedad. Esto ocurre cuando la tierra que se drena se encuentra más nbajo del nivel del agua de los ríos, lagos o bahías cercanas. I
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FIG. 20-7.
Bomba de difusor vertical de flujo axial.
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~escarga ~.
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de hace medio de tubos a un río, lago o depó- . sito :cercano, o a una~arjea que lleve a un punto tal de elímiqación. La columna ¡es moderada, y raramente excede 15 m, pero la capacidad ' requerida puede ser considerable, 14 m 3 /seg/bomba, por ej roplo. Las bO)llbas de flujo mixto en este servicio giran a Y ~ocidades relativamente bajas: 200 a 225 rpm. ,I·¡ .\¡,.~ · . ,
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MINERtA Y CONSTRUCCION
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Las bombas para operaciones de minería y construcción manejan una gran variedad de líquidos, muchos de los cuales contienen sólidos abrasiv,os o son ácidos, o ambas cosas, Las aplicaciones en minería de carbón inchiye eliminación de agua, alimentación de filtros, manejo de productos pesados, transferencia precipitada, manejo de lodos, bombeo de sumideros, alimentos espesadores, flujos de espesadores, eliminación de desperdiCios, lavado de carbón, etc. La mayor parte de las bombas en este servicio son centrífugas, pero también . se encuentra:n algunas unidades reciprocantes. En minería y preparación, tanto metálico como no metálico, las bombas se usan en los pasos de proceso de benefici.o. dragado, alimentación de filtros, alimento de calcificadora, eliminación y recuperación de sus productos, alimentación de espesadol'es, transferencja .de precipitados, manejo de decantados, lavado de suelos, manejo de producto pesado, etc, 'Igual que en la minería de carbón y en su p1eparación son populares las bombas centrífugas, y se usan alguna,s unidades reciprocantes. Los pozos de arcilla y canteras usan .bombas para manejar lodo de cemento, agua de clasifica~or, mezclas corrosivas, dragado, lodo de cal, drenaje, transfl'lrencia de arenas y desperdicios, etc. Igua.l qUe en las operaciones de minería son populares las bombas centrífugas y se usan algunas unidades reciprocantes. Las bombas rotatorias encuentra una aplicación relativamente reducida en cualesquiera de estos campos excepto como equipo origInal que se suministra con mur.has de las unidades de proceso. Bombas Centrífugas. Frecuentemente llamadas bombas mineras estas unidades tienen gruesas paredes de carcasa , lo que da un amplio margen para corrosión. Se t.oman las precauciones necesarias para evitar el contacto do los líquidos corrosivos con .la flecha de · la bomba. La remoción fácil de
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MINERíA
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CONSTRUCCIÓN
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PIC, 21-1.
Corte de una bomba para maneJar sólidos con ur, impulsor ahuecado. (Cortesía de Weetern Macliinery Co.).
FiC. 21-2. B()mba revestida de hule para manejar sólidos de muchos tipos. (Co rtesía de Allis-Chalmers Mlg . Ca.) .
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las partes sujetas a desgaste es un 11e importante en todas las bombas modernas de este Los materiales que están en contacto con el líquido que., maneja deben elegir~ se para una máxima resistencia a la , y a la erosión. diseñada para La Fig. 21 ~ 1 muestra una bomba manejar una gran variedad de de mihería mezclados con agua u otros líquidos. Los ' ." típicos que habrá de bombear incluyen minerales, cemento, arena, ar, subproductos, cilla, auxiliares de filtro" metales I ascie~den a 30 m y desperdicios, etc. Las columnas las capacidades a 250 lps. El impulsor del tipo recesivo .colocado de manera que se encuentre del paso norm~t del flujo. El diseño de la entrada de la ',reduce la pos~bi1idad de que los sólidos entren en cto con ,el imptHsor. Las bombas revestidas interiormen I con hule (Fig. 2t -2) pueden prpducir ahorros considerables " los costos de reemplazo par~ las," bombas que manejan ,' Los revestimientos e~peciales de hule de varias 'c0I!lposiciones pueden Algunas bombas usarse path m{lnejar una variedad de I revestida~;:ébI1¡ :hule muestran una útil de diez a cin~uen ta veces r~ . de~una bomba de aleación , uivalente. Una .línea hasta de 4.3 m. de este til>o m:~nejade .6 a 190 lps a Estas unidades' bombean materiales mm ha malla de-.128 .. Los impulsores abiertos se para sólidos de impulsores c~rramalla 128 ,a 1\5 mm. Mientras que se dos para sólidps hasta 3 mm. I Las bombas para manejar sólidos , Cap. 11) se asemeján se construyen a las bombas mineras, pero frecuen
FIG: 21-3.
Bomba de un paso (Cortesía de Gorman
armón de mina.
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BOMBAS -
su SELECCIÓN' y APLICACIÓN
para llenar una dem~da específica al manejar un cierto tipo de sólido. La. carcas!; y el impulsor se construye;D con diseños robust?s, de m "teriales €speciale~: Las capa,cidades ' da algunas umdades se levan hasta 630 lps, y las columnas has. " . "' '-~.1 ta 90 m. " ','. Las bombas' ce:nt~, fugas autoceliaptes moptad~s en armón de ferrocarril se usa : frecuentemente en minas f a que pue- ' den moverse su lu ' r de operación; requieren poco espacio ve}'tical y se operan fácilmente . una vez conectadas la succion y descarga. La ig. 21-3 muestra una unidad típiCa. La parte más elevada se encuentra 11 56 cm arriba de los rieles. Frecuentemente se u'san tuberías deplástico, hule y otros tipos especiales con bomb~~ mineras para mantener el desgaste en un' mínimo. Las bo~bas centrífugas del tipo químico se ,usan para manejar )~cido en plantas de beneficio de cobre. Estas bombas se in~~~~an .generalmente en forma permanente, en lugar de ser ,p,Q),'tátlles. " , - Bombas de Lodo~1" Las unidades de este tipo manejan lodos abrasivos, aJ;'ena; lodos químícos, desperdicios de ' plantas y productos si~ares. La Fig. ' 21-4 muestra .tma bomba de lodo típica debaj~iiyelocidad~ servicio coptin~o, const'ruida ,e n tamaños de 5 a: 1 15 cm. Su caja de empaque está sujeta sqlamente a presión I,~e succión, y las partes sujetas a desgaste pueden alcanzarse sin tocarla tubería. El elemento 1'0tatorio es ajUstable.il Maneja ,subproducto$, escorias, .minerales, etc. ' I l ' , '. Las bombas de lo: os, manejan ordinariamente sólidos en regiones de 160 a3 '~ ' : llas, aproximadam~lJte, mientras que la,sbombas de arena< 'anejan sólidos en la región de 14 a 1.6 m;,t,l,las. El agua de sel lido, que se introduce por la parte pos:terior del impulsor, p , ede no usarse, dependiendo del diseño de la bomba. La bombas del tipo de draga son para materiales de 1.2 mal , ,s y mayores .. Muchas bombas ele arena y lodos están revesti as con hule; Las bombas de draga pue- den o no revestirse . on hule. Algunas bombas de draga se construyen especialm~ te para UlJa aplicación específica y usan una .o más aleacione~, duras para reducir el desgaste. Los sumideros qu, se usan con bombas de arena y lodos ' deben ser cilíndricos j i es posible, y tener suficielJ.t e capaci' dad para las variacio es normales en la: aliment~qrón del sumidero sin que éste e rebase. La . altura de la '~'~ mba debe ser lo bastante grand para permitir que haya sufiCiente pro-
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FIG. 21-4. Bomba de, lodos para servicio pesado 'de baja velocidad . que se desarma fácilmente. (Cortesía de Morris Machine Work.,¡). FIG. 21 -5. Bomba neumática de sumidero de i.m paso. (Cortesía de Schramm lnc.) .
'fundidad d~lliquido arriba del eje central de la succión de la ,bombá además de capacidad para aumenios súbitos. La forma del fondo del sumidero debe tener por lo menos una pendiente de 45° a la salida. ' , Bombas Turbinas Verticales. Este til4>encuentra cada vez un mayor uso en I minas debido a que es compacto, muy eficiente y fácil de instalar. Las unidades de ,varios pasos se usan con frecuencia debido a que la columna que puede desarrollar varía de moderada a alta. Por ejemplo, en una mina de carbón de Pennsylvania, la bomba turbina vertical de , 51 cm entrega 316 lps contra una columna de 146 m. Las · bombas para este servicio pueden diseñarse de ' forma que puedan colgar suspendidas de la superficie del tiro de las minas, o pueden instalarse permanentemente sobre una cimentación arriba del nivel alto del agua. ' , Cuando se maneja ácidos o productos químicos corrosi'vos, se usan revestimientos de hule o de metal especiales en la descarga, columna, y exterior del tubo de aceite de la bomba. Puede también , usarse un adit~mentode desconexión minero que permite la fácil remoción del tazón ,de la c31umna " y flecha. Esto hace más fácil el mantenimiento de la bomba. Las bombas verticales autocebantes también son populares en hundido de minas y construcción industrial.
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Bombas Horizontales.
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Este tipo se usa mucho en minas
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te flotante de ,manera que"puede mo ,erse ,fácilmente de un punto a otro del lago. .. l, .' . Bombas Rotatoriás• . La bombai , 'r ótatoria del tipo'· de engranes, hechas de bronce o acero in xidable¡ están provistas de movimiento a velocidad variab e y se usan para medirsoluciones de productos y diluyen .les en ·sistemas de.¡,~li mentación separadas.' La bomba deb~,' protegerse con ·una tela de alambré de 6.4 mallas cuandó ~ , usa en este serVIcio. El separán es un floculante sintético q , ~ se usa con una':Ílmplia variedad de minerales, 'lodos de u ~nio, concentrados"· de cobre y zinc, etc. Hay oth;>s tipos de bombas rotatori~~ que se "'usan en ·sis~ temas hidráulicps en minas, :transferencfi~de lubricantes, .etc. Éstas no ~.p.·)i.H~í1tran, sin embargo, ta1tas aplicaciones como las bomba.1t 'centrífugas. . · I I . . • Bomb3$;.Reciprocantes. Las bO~bas reciprocantes : de ac.ció~ directa, ~e diafragma y del tipo. ' e p.o tencia se usan,en , mmefla de carbon y metales. Estas um adesson generalmente horizontales, debido a 'que pueden ~perarse . en áreas .en que el espacio vertical es reducido. Los,¡' usos típicos inclu.yen .eliminación de agua, manejo de lodos ·¡mríferos, inyecciones de l'echada a presión y eliminación de e currimientos. Muchas bomb-as de acción directa diseñadas pa 'a instalaciónes mineras pueden ser movidas por vapor o air , dependiendo de los requiflitos de la aplicación. . I Las bombas de medición y proporc ón (Cap. 3) se usan para el control del pH en acondiciona ores ·adelante de ·las c~ldas de flotaci~~ de~ miner~l, para .alifentar agentes depreSIVOS. ~n J~ flotac~on dIferenCIal de mmel~les, p.~r? tratar ?es- . perdlcIOs mdustflales y para muchos ot Ol'! servICIOS en mmas y canteras. ... . : l.. . ~~lección de ~()mbas. · C,apacidad: I~ ¡p~ra dar ?n .con~r~l pOSItIVO del drenaje en las mmas, es prrctIcacomun el dIVI. dir la capacidad requerida entre dos o ~ás bombas, con una o más de :e~erva. Esto da mayor flexibi~idad en la operación . y mantemmIento de la bomba. COlumrt~j: Cuando se manejan. líquidos abras~vos, la bo~ba ' centríl;l,lgade varios pasos es madecuada debIdo a qve bene muy pequeñas tolerancias y se requiere un sello ab$oluto entre p 'sos . . Las bombas de .. un solo paso se conectan en serie cuand~ la columna requerida excede a la que puede . desarrollar ~'na sola . bomba . . Las bombas reciprocan tes del tipo de potenc~a se .u!!an frecuente-
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y canteras. Por ejemplo, en una mina de cobre de Michigan
se usan seis bombas divididas horizontalmente de 2 pasos, 95 lps, 286 m de columna, movida cada una por un motor de 500 hp, como auxiliares a una profundidad de 328 m abajo de la superficie. Éstas reciben agua de seis bombas de motor wm~rgible instaladas a un nivel inferior. Por este arreglo, la cantIdad de gas explosivo presente en el agua de esta mina se mantiene en solución. La línea continua a prueba de agua desde la profundidad más baja de bombeo a la superficie asegura que no se desprenderá gas del agua para · entrar a los . túneles de la mina. Todas las partes de las bombas que están en contacto con el agua están hechas de monel o bronce. El interior de la tubería d~. agua está revestido con neofreno. Otras Bombas Ver,ticales. ' Las bombas de motor sumergible encuentran alguna aPlicación en 'minas, como se ha in~icado arriba. Ver Cap. 17.para una discusión de este y otros tIpos de bombas horizontales y verticales mencIonados aquí. Las bombas verticales sin empaqu~s y unidades sin baleros inferiores se usan para manejar agua de minas relativamente limpia. Las bombas de esponja movida neumáticamente (Fig. 21-5) pueden encontrar aplicaciones en tiros de minas y pozos ciegos, sumideros, etc. Éstas se construyen en modelos de uno y dos pasos y desarrollan columnas hasta 9.1 m y capacidades de 1.6 a 19 lps. La presión de aire requen.da para las operaciones varían de 5 a 7 kg/cm 2 • El flujo de aIre e8 de 2.97 a 3.53 m:'/min, o mayor, dependiendo de la· . columna y capacidad de la bomba. . Lavado de Carbón. En muchas minas el carbón debe lavarse y limpiarse en cuanto llega a la superficie. Esto se hace con frecuencia tomando agua de un pozo de asentamiento cerca del volcadero, descargándola a un cono elevado en donde se lava y limpia el carbón. En una instalación, se lavan 2000 ton de carbón suave por medio de una bomba centrífuga de 63 lps 45 m de columna un solo paso, 10.2 cm. Puesto que el agt;la de pozo de asentamiento se va acidificando :-el pH es a v~ces tan bajo como 2- la bomba debe constrUIrse con mateflales que tengan una resistencia adecuada n l?s ácidos. Usando una bomba de circulación y no dándole Ballda al pozo de asentamiento, puede evitarse la contamina,ción de vener(js de agua en el área. En muchas minas la bomba que maneja el agua de lavado se monta sobre un recipien-
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su SELECCIÓN y APLICACIÓN
BOM.BAS -
mente para ele~aciop¡~s excepcionah:n~nte altas en minas y ca,nteras. Matenales: ~. stos varían conslderableme.nte con respecto a otros tipos de, bombas industriales. Los tipos de materiales duros-acer(; ' al níquel, manganeso, hierro blando, hierro gris de buena :~~lidad, así como hules naturales y sintéticos, operan bien en servicios abrasivos. Debe tenerse cuidado cuando se maneja ar~na debido a que ésta dañará a los ma~' teriales que son adecukdos para manejar partículas abrasivas .grandes. ' . Movimiento: · Los motores eléctricos son comunes, siendo también populares laJ máquinas de combustión interna, turControles.: . Se usan binas de .vapor y. máquinas neum.áticas., " - .r. " . muchos tipos diferentes, incluyendo mOFo res de v~~9cidad variable de c-d, motores de coa de velocidad ajustable, acoplamientos fluidos y magnéticos y transmisiones cor{ Emgranes y bandas. Velocidad: IJa mayor parte de las bpmbas para ma. neja! sólidos "operan,1 a velocidades menorés qu~· las · otras bo~bas industriales, por lo qu~ necesitan un reductor de ve10Q~dad ~e algún ti~o, Puando se Iri~even po~ m.otoreléctrico. Es 'comun unavana~lónen la reglón de velocIdad de 700 a 900 rpm. E7!lpaque:tp's~íquidos que contienen abrasivos son generalmente nialos l~brlcantes. Puede usarse agua clara de ' una fuente externa. qlbien puede usarse un sello centrífugo construido especialmepte, y que se puede obtener eh algunos tipos de bombas, en l~gar del sello de agua. Velocidad del Líquido: La mayorpar~~ ¡ de los productos se, bombean .a una. velocidad mínima de ,J,2 m/seg, si incluyen lodos. Algunas autoridades recOniien~ ' n de 1.3 a 2.5 ro/ seg Pllrasus productos lodosos, 2.l.a2.7p~ l asus productos sin lodo . .La arena . y arcilla se bombean a . ,elocidades hasta de 5,4 m/sag, pero la velocidad más común ;' ara áreas es' de 2.4 a 3 m!áeg. Consumo de Ene,...~ía: Multiplíquese el 'l caballaje correspondiente .a agua limq,ia por la densidad de la mezcla que se maneja para determi~ar la potencia requerida en lodos, arenaa, etc. Espuma:S~finístrese por lo menos 1.8 m de cspn y úsese una bomba tan,l grande como sea .posible, para permitir su operl1ción a baja •.J;locidad. Redúzcase el tamaño del tubo de" descarga de mané El que la . velocidad del líquido sea lo bastante alta para ' ntener los sólidos en suspensión. Tubería: Bomb~ah sólidos ya . sea horizontal o verticalmente, o ambos, es . , ~s fácil que a ángulos entre 15 y 75° con horizontaL A estlos ángulos; los sólidos tienden a desI
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CONSTRUCCIÓN
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prenderse de la suspensión, asentarse en la línea y aumentar la resistencia del· flujo. Con los sólidos usuales el coeficiente de Williams y Hazen es de 140, compánido con 100 para agua limpia en tubo de 15 años de edad. Por lo tanto,' las pérdidas . de fricción en tubería que maneja: sólidos debe calcularse cuJdadosamente. Los materiales de tuberías se discuten al principio de este capítulo. CONSTRUCCIÚN Se usa un gran número de bombas centrífugas y reciprocantes en proyectos de construcción de todos tipos. Las aplicaciones típicas incluyen drenaje, surtidores e inyecciones de lechada a presión. La ma. yor parte de estas unidades están montadas sobre ruedas, carros, vigas o carretillas . para permitir el fácil movimiento de un lugar a otro. Aun cuando algunas son .movidas por ,motor eléctrico, la mayor parte de las bombas centrí.fugas en este servicio están movidas por máquina de combustión interna (Fig. 21-6) pueden usarse máquinas de gasolina o diese!. FIG. 21-6. Bomba portátil con motor de gasolina de 10 Ips, de un paSl) y Bom bas Centrifugas. con un peso de 40 kg. (Cortesía Ho ~stas son de . un solo paso me lite Division, Textrom American. para todas las aplicaciones lnc,). ordinarias y manejan hasta 250 lps. Las columnas ascienden hasta 33 m. Las normas de . capacidad están establecidas por la Oficina de Bombas de Contratistas de Associated General Contractors of America lnc, Es Preferible el comprar bombas, que se ajusten a las normas de la AGC. Las bombas autocebarttes de dos pasos se han introducido recientemente para este servicio. . Las unidades movidas por máquina de combustión interna se suministran sobre una base, rUE;ldas de acero o llantas neumáticas. El codo de descarga (Fig.21-7), niple y coladera de succión se suministran como el equipo normal en las
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MINERfA
BOMBAS - SU SELECCIÓ~ 'Y APLICACIÓN
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CONSTRUCCIÓN
mente una bomba de 44 lps, 6 kg/cm1~1, p.?ro en apli?aciones de mayor tamaño se usan tamaños ~ayores. La Flg: 21-7 muestra las variables que deben considerarse cuando se calcu\, la la columna t6tal en bombas que se USilO en trabajo de consI . ) trucción. ' i ; s ~e. diafragma (Fig. Bombas Reciprocantes. Las boml 3-13) son populares actualmente para \ anejar una gran variedad de líquidos de construcción. Ést s operan generalmente a velociª~de~ ~:lativamente bajas y rsan mate~iales resistentes a Ill;j¡abraslOn tales como hule, ijerro fundIdo y ac.e)'o manganeso.:;-: Las bofubas de ac'ción directa movi~s por vapor o aire se usan también en muchos proyectos de ~bnstrucción. Las unidades horizontales portátiles duplex ,
bombas ' movIdas por motor de ' gasolina., Lo mismo es cierto para la mayor parte de las bombas portátiles movidas por diese!. Casi tOdas las bombas centrífugas construidas para el servicio de contratistas a la fecha son unidades autocebantes. Bombas de Cámara Neumática. Éstas están diseñadas para bajarse a cámaras neumáticas, pozos, minas y otras áreas en que se requiere bombeo. Éstas son frecuentemente bombas centrífugas de acoplamiento estrecho, -movimiento por motor eléctrico de un solo paso, montadas verticalmente y provistas de una eslinga de metal apropiada para bajarlas al pozo en el que habrán de operar. Se usan algunas bombas verticales de acción directa, reciprocante, simple y duplex también para el servicio, pero están siendo reemplazadas por , bombas centrífugas. Bombas de Surtidor. ' Estas son generalmente bombas centrífugas de uno o varios pasos usadas para lavado de ar~ cillas, perforaciones rotatorias, surtidores, protección contra incendio y construcción de caminos. Son portátiles y ge-
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I Coladera equivalente a 1'.5 m de tubo o manguera
FIG. 21·7 . Tube~ía :típica para bomba usada en trabajo de construcciÓn. (Cortesía de The Go/'man-Rupp Co.) .
neralmentemovidas por máquinas de combustión interna. Las aplicaciones de surtidores frecuentemente usan una bomba de 16 lps a 10 kgj cm". En perforación de pozos, la bomba debe manejar lodo de perforación, lodo de cemento, gravas hastn de 30 mm para lavado de gravas, es satisfactoria general-
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CAPÍTULO
22
SERVICIOS MARINOS Las bombas auxiliares asociadas se encuentran entre las partes más importantes de un barco moderno. La elección cuidadosa es sumamente importante debido a que el serví. cio en alta mar, ya sea en barcos navales o mercantes puede ser severo. Asimismo, las bombas deben ajustarse a las reglas o especificaciones de uno o , más cuerpos reguladores: American Bureau oí Shipping, U. S. Coast Guard Marine Inspection Service, Navy Department Bureau of Ships, Bureau of Yards and Docks, Army Transportation Corps. , U. S. Engineers,etc. Queda a elección del ingeniero ·el elegir una bomba para servicio marino y determinar qué reglas deberán aplicarse. El fabricante no asume ordinariamente la responsabilidad por esto, pero frecuentemente desea las reglas que habrán de ~plicarset de manera que pued~ suministrar una bomba adeeuada. Un~ de las carac,terísticas del servicio marlr)o es la gra,n variedad de bombas que se usan para dife rentes servicios. Muchos de éstos $e describen en seguida: Bombas C~mtrífugas. Éstas se usan para servicios auxiliares de con4~nsador y enfriado de condensador, drenajes atmosféricos, balastos, desperdicios, illimentación de calderas, auxili8,re~, salmuerp.s¡ sistemas Butterworth, cargamento, circulación, condensado, control de daños, destilados, drenajes, agua potable, elevadores, enfriami~mto de máquinas, evaporadoras,protección de incendio, lavadq, agua fresca, gasolina, servicios generales, enfriamiento de artillería, drenaje de calentadores, circulación de agua caliente, pozo caliente, agija helada, alimentación de conservación, servicios sanitarios yagua de limpieza. Igual que en las aplicaciones estacionarias, el tipo de bomba elegido depende de la columna, capacidad, líquido manejado, etc. Muchos de estos factores se discuten más adelante en este capítulo. Bombas Rotatorias. Éstas se usan para enfriamiento de máquinas, cargamentos, descarga y preparación, crudos,
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
sarvicio de elevadores, como emergencia en desperdicios y mecanismo del timón, servicio y transferencia de combustibles . y gasolina, circulación de aceites lubricantes, así como servicio y transferencia de melazas, servicios de preparación y transferencias de aceite, gasolina, jarabe, etc. Las bombas rotatorias para servicios marinos se montan con frecuencia
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(b) Prc. 22·1. (a) B()mba de alimentación de alta presión movida por tu rbina que usa una 'sola flecha, mostrada en (b). (Cortesía de J. S . Coffin, Jr. Co.).
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son todas de bronce y desarrollan columnas moderadas-alrededor de 7 kg j cm 2 • De Cám,(lra: Se usan los mismos tipQs dé bombas ,centrífugas y" reciprocantes que en servicios de :balastO,/ para cámara~, además ' de turbinas verticales de v~rios liasos de flujo ml~to, horizontales, acoplamiento estrecho, turbIna regeneratlva y de voluta horizontal y succión simple; Est,as unidades desarrollan columnas moderadas ~alrededÓr de 7 kg / cm 2- y tienen aditamentos de bronce o son toda,s (le bronce. Las bombas de cámara sumergibles son unidades verticales provistas de motores capaces de operar completamente sumergidos enagua. Este tipo se requiere en muchas embar' caciones. Sistemas Butterworth: Las bombas horizontales o verticales de dos pasos con carcasa dividida tipo voluta para columnas de 305 m y capacidades de, 202 lps, son comunes para este servicio~ Las ,bombas reciprocantes horizontales o verticales duplex de acción directa y 14 ltg/cm 2 de presión líquida y 31 lps pueden usarse también. Las bombas para este servicio tienen aditamentos de bronce o son todas de bronce. Salmueras: Las bombas cent rífugas son prácticamente universales para circulación de salmueras. Las bombas horizontales o ve;rticales de un solo paso, tipo voluta carcasa dividida son una elección común para columnas ' de 90 m y capacidades hasta de 190 lps. También se usan bombas estrechamente acopladas .que desarrollan alrededor de la misma columna y capacidad. La construcción toda ", de fieno es popular pero también se usan aditamentos de bronce y bombas totalmente ,de bronce. ' Cargamento. ' Las bombas turbinas verticales hasta de 760 lps y 150 m. de columna manejan combustible, gasolina , etc. Las bombas de engranes rotatorios, verticales y horizontales, manejan una gran variedad de cargamentos de aceites. La Fig. 22-3 muestra una unidad popular para manejar cargamento. Algunas bombas de vapor de acción directa manejan también cargamentos, é'stas desarrollan columnas hasta de 17.5 kg/cm 2 para este servicio. Las bombas verticales de acoplamiento estrecho autocebantes tipo turbina son populares para descarga y despeje, así como las horizontales centrí' fugas. Condensado: Las bombas centrífugas de uno y dos pasos, horizontales y verticales, tipo voluta carcasa' dividida, se
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FIG. 22-3. (a) Corte a través del rotor helicoidal de la bomba principal de carga para aceite, melazas, agua, etc. (b) Conjunto. (Cortesía de Kinney ' Mlg. Diuision, The N ew York Air Brake Co.).
SERVICIOS
MARINOS
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usan para manejar condensa40s. La construcción de unidades de dos pasos es idéntica ajas descritas en el Cap. 11. Las bombas de condensado verticales de un solo ,paso son del tipo de succión superior. Las bombas de condensado para servicio marino tienen aditamentos de bronce o son todas 'de, bronce. Las bombas reciprocantes se usan rara vez para condensados hoy en día. i ;: Retorno de p ondensado: Ver Cap . . 19. Los mismos tipos descritos allí se usan a bordo de un barco. ,. Circulación de Condensador: Las bombas de un solo .paso , de . doble succión horizontales y verticales tipo voluta, así como las de succión simple tipo voluta flujo mixto y las bombas, de impulsor horizont;ales y verticale~ se usan para circu- . lar agua de condensación. Las capacidades ascienden hasta 3160 lps para las bombas de flujo axial de i~pulsor pero la columria desarrdllada es relativamente baja. Tanto el movimiento por. motor eléctrico..' como por 'turbina de vapor son ¡, populares. Las bombas tienen generalnwnte ·aditamentos de bronce o son todas de bronce. Las bOl1¡?bas reciprocantes se usan raramente para circulación de coridensador principal. para circulaci6n Algunas unidades simplex y duplex se (ISan ¡H de condensador, auxiliar; .,.~l ll Control de D,años: Las bombas horiz~ptales o verticáles de un solo paso de, doble suceipn, de tipo ~pluta y carcasa divi· dida se usan en este setvicio. · Los requ;sitosde columna y capacidad son moderados. . ¡,~' Agua ' Potablé: Las bombas turbinas,:f:egenerativas de dos pasos del tipo voluta o bien horizontal~,S; de uno o dos pasos, de acoplamiento estrecho, así comó¡' las de un solo paso se usan partimanejar agua potable. La~ bombas reciprocantes simplex o duplex horizontales o vertipales aún"encuentran alguna aplicación en este servicio. La t;blumna requerida es de moderada a alta. La ' capacidad es mo:derada. Se usa construcción integral de bronce o con adi,~ amentos de bronce. Incendio y Lavado: Jl':stas ,se asemejan a las unidades que . se usan en sistemas de balasta, Butterworth y salmueras. Las bombas de uno y dos pasos aprobados por Underwriter están provistas con equipo descrito en er Cap. 17 y construi- . das en cuatro capacidades/ normales : ai .6, 47.3, 63.1 y 94.7 lps a 7 kgjcm 2 . EI motor 'ola turbina ~e vapor opera a 75, 100, 125 Y 200 hp respectivamente pata estas capacidades. Combustibles: Las bombas simplex '$ ,duplex horizontales
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,1 Y verticales de ,h'l~~ón directa se usan frecuentemente para servicios ytransfq;réncia de aceite combustible: Las bombas de potencia horizóntales y verticales, duplex, son , populares para transferencicl~ ~dde combustible. Las bombas rotatorias de tipo de engrá.11~s~\ tanto verticalés como "4drizontales, son proqablemente la~: nlás usadas/ para tr~nsf~i'encia de combustible, carga, ci~s:c ;Hga y servicio de a:~eite ¡ lubricante. Se muestra una unidN.d ' típica en la Fig. 22-p. ' S ervicio Generúl: Véase balasta, cámara BlÍtterworth, salmueras y ca:rganw1lt~qs. " , ;'~ , Enfriamiento ¡' ~e Artillería: Las bombas de un solo paso, ~"acoplamiento estf.(~bho, tipo voluta y con movimiento ' de mo,tor, aditamentos 1H~ b~ronce o construcción integral de bronce o de hierro, se us~n! para enfria:~ento de las piezas de artilleríaen embarcádí
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dráulico es probablemente el tipo más popular hoy en día. Se usan varios tipos de bombas hidráulicas (Ca p. 23). La Fig. 22-5 muestra una bomba típica de ¡>istón radial para este servicio. Selección ,de Bombas. Capacidad y Columna'; Son convenientes algunas reglas empíricas para elegir la Chumacera -+-'l'il capacidad y columna de la bomba, o para comprobar los valores encontra- Ademe dos por otros métodos,. Éstos nos dim Copie de flecha la capacidad de la bomba en porc~ón , del desplazamiento del barco y son como siguen: bombas sanitarias o de lavado, o.i ¡ps a 7 kg/cm 2 : bombas , de balasta 2.2 lps a 3.5 kg/cm~ : bombas de cáinara2.2 lps a 3.5 kg/cm J bombas de agua fresca para grifos".18 lps a 7 kg/cm 2 : bombas de circulaeión de agua helada, .03 lps a 2.4 kg/ Chumacera cm2 • Otras bom bas, a las cuales no se de hule -..,...,~ f; ~=tIl~~l.Jj aplican las reglas anteriores, se deter- , minan como sigue: bomba contra inImpulsor , cendio; úsese por lo ~enos dos bom, bas de 25 lps y 8.8 kg/cm 2 , indepen- ' dientemente del tamaño del barco. Impulsor Los barcos más grandes deberán tener más. Las bombas de transferencia de aceite lubricante: úsese por lo menos una bomba de 14 lps ,a 3.5 kg/cm 2 , independientemente del tamaño o capacidad del barco. Las embarcaciones ' FIG. 22-4, Extremo límayores pueden requerir' más. Las quido c;le bomba tu rbina bombas de circulaCión de condensado vertical de dos pasos pay refrigeración: .018 a 0.3 lps por ton ra servicio de muelle seco y sumidero, de refrigeración. La columna deberá ser por lo menos de 2.8 k g/cm ~ . Las bombas de servicio de aceite lubricantepa,ra turbinas deberán dar alrededor de .0024lps a 3.5 kg/cm~, por hp en la flecha, El sistema Butterworth : úsese por lo menos una bomba de 28.4 lps y .14 kg/cm 2 por embarcación, dos o más - en barcos grandés. Otras bombas deben elegirse ,de acuerdo
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con los cálculos de balance .calorífi ~~)/~..requisitos legales ,'u otros fa,ct?res de controlo ;;; ,. . Mat~nales: Las seleCCIOnes más; ~c~Hnun~spara bombas marinas son aditamentos de bronce"it>i1strucción integral de broncee inte~r~l de hierro' ,Sin ~~1b~r.;?, muc~os otros tipos ¡~COrrOSlvaS extremas. pueden espeCIfIcarse para :'condICIOnes JI'-' . Ver Cap. 6. Móvimiento: Los motores; Jgeneralmente de c-d, mueven la maydi- parte de ' las bomba!:; en barcos grandes. Aotualmente está:n cómenzando a usars~ motores de e-a para movimiento de oombas. 'Las turbinas ombas a!:>ajb de la línea de agua ' deberán proveerse convá!vúla de cheqU;e.. Hay que asegurarse al disefiar·las ·tuberías, que el sistema ~\e éstas esté de acuerdo con los requisitos gubemamentales :(Y legales. .' ., . . Bombas Especiales.·:liDébido a qu~j el servicio marino' difiere tanto' de otros, el disefiador del ~istema o de bombeo encontrará un número de bómhas especiales dísponibles para :-J',
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usarse en varios. de barcos; Éstas incluyen bombas niciprocantes d~ ~iré, para con4ensadores de vapor, bombas combinadas. de aire y circulación, bombas centrífugas de gasolina, movidas ' por turbina de, agua, bombas de control de daños acopladas ' e1;trechamenté, a: ,turbinas , de vapor, bombas sumergibles mi;>vidas a tray,~s de transmisiones.. intennedias por un mOtOl!1f::olocado .sobre un puente a prueba de agua, turbinas hori~ontales y .verticales de engranes que manejan bombas'vertkales, y bombas, de alimentación de 3 chumaceras, 3 ·pasos .n.lOvidas por. :turbina. Es interesante notar que las torres de 'fr;ixas desarrolladas recientempnte usan mu- . chas de las bomba~:: del tipo marino, incluyendo l dos unidades de motores sumeréibles (Cap. 17). Puesto que las bombas marinas son: tan irhportantes para la operación adecuada y segura del barco, ef! diseñador · d~be ajustarse a :las reglas del gobierno y aulori,dades de agencias de seguros que tengan jurisdicción ,sc;>bre líel barco. En: otros capítulos de este libro ' se trata de nume~,i)~as referenc~as a bombas marinas. , Bombas ' de D~l' ~gado. Éstas manejan alguna variedad de materiale~es4e sedimentos. y arcillas hasta ' piedra graVa. Las bombas 'para dragado deben manejar grandes s.ólidos sin atascarse, SOPOl'r,~:f d >sgastey te,ller un bajo consumo de energia y un coste>, d~, mantenimiento mínimo . . Las bombas ce~itífugas representan 'la elección normal para las dragas 'móaernas. Estas ' son ge,neralmente, bombas de voluta de succión en un extremo de un solo paso, con grandes claros ,para :manejar pie~:h:as, . raíces, y 'Qtros ~ateri8!-\ l' '. . ¡ les voluminosos. Puesto que la abrasión y ,el golpeteo pueden ser severos, se usa~i materiales · especiales i de construcción. Para dragar arcilla¡{ o barros, las· partes sujetas a desgaste s,e hacen de "semisteel"; para gra'la bruta, se usa con frecuencia acero .al ma,nganeso, para arena' abrasiva de cantos. agudos, es común E(,I,! ,uso de aleación de acero tratado térmicamente. Hay sólo h es partes,' sujetas a desgaste en estas bombas: la ' carcasa; él impulsor y, el disco de succión. .,¡, Las bombaS' para dragas pu~4eil moverse por motores el~ctricos, turbinas , (1 máquinas: :de .combustión interna. Las bombas normales ¿e' construyen. en muchos tamaños. Una · línea típica maneja hasta 149 ín3 /h con 10 por ciento de sólidos y 4 m/seg de' velocidad de.'descarga. Con estas Características requiere W.2 bhp pOf :cada lO , m de columna total de descarg~ ..,.. .-'.
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Bomba de engranes típica para servicio marino. (C ortesía . de Worthington Corp.) .
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22-7. Bomba de alimentación v~rtical de oChÓ pasos 12.6 lps. 112 kg/cm 2 para barco de m inerales. (Cortesía de lngersoll-Rand Cn .) .
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Cuando se requiere una bomba de draga, el fabricante debe tener la información completa. Ésta debe incluir el uso de la bomba, naturale~a del material que se va a bombear -ya sea compacta o suelto por ciento de sólidos de diferentes tamaños, tamáño máximo de los sólidos y disposición de tuberías y movimientO--. Las bombas de draga se usan también para producción de arena y grava~ sólidos abrasivos . y operaciones de relleno. Nuevas Fuentes de Energía. Los barcos impulsados por turbinas de. gas y por energía nuclear pronto estarán en servicio en el mar. Las bombas para estos barcos no habrán de diferir mucho de las descritas arriba y en el Cap. 12. Sellos Mecánicos. Se están usando cada vez más en bombas marinas de todos tipos debido a que ofrecen muchas ventajas. Por ejemplo, en bombas principales de carga para tanques permiten la descarga hasta 30 cm más abajo . que las bombas con empaques convenCionales. Por otra parte, los escapes de aceite a las cámaras de bombeo de los tanques se eliminan casi completameI}te. Al reducir los escapes en la flecha al mínimo, se evitan muchos peligros potenciales de incendio y, los requisitos de mantenimiento se reducen. Yates y Otras Embarcaciones Pequeñas. Las embarcaciones pequeñas tienen generalmente sistemas eléctricos de 6, 12 o 32 volts con capacidad de generación moderada y capacidad de almacenamiento limitada. De manera que deben diseñarse cuidadosamente las bombas para agua y otros serVicios. En: sistemas de agua a presión son populares las bombas centrífugas montadas en tanque. La bomba descarga a un tanque de presión, de donde parten las líneas a alimentar los grifos. Las bombas desprovistas de tanque de presión también se utilizan. Una unidad para este servieio opera a .31 lps y 1.4 kg/cm 2 • Cuando se usan máquinas de combustión interna y de inversión directa para mover un barco, pueden usarse bombas centrífugas para circúlación del agua de enfriamiento y aceite lubricante. Estas bombas se asemejan a la centrífuga normal pero pueden operarse en cualquier dirección de rotación sin sufrir daño. La columna y capacidad son idénticas' en ambas direcCiones; Bombas Auxiliares de Alimentación.. Debido a que el espacio es frecuentemente limitado abordo de un barco, pue-
SERVICIOS
MARINOS
01.1.
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de usarse una bomba auxiliar de alimel:ttación. Esta unidad, generalmente del tipo centrífugo, to~~: su succión de un ' calentador de contacto directo y descJü:ga a la succión de la bomba principal de alimentación. Se qstudia actualmente la ·posibilidaq ;. 'de ,~sar esta disposición ~p plantas estacionarias para reducir la elevación requerida !~n calentadores abiertos. Las bombas de alimentación auxiliares para el servicio marino son generalmente unidades de..~~rios pasos, aun cuando puede usarse una bomba de un s91p' paso cuando la presión requerida es baja.
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CAP
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BOMBAS: INDUSTRIALES, . ·lfIDRAULICAS y DE VACIO. ", La transmisión hidráulica de potencia, por 'medio de una bomba y un motor hidráulico se está usando ampliamente en la industria en la actualidad. Unas cuantas aplicaciones incluyen máquinas .herramientas de muchos tipos: prensas, máquinas de inyección, .reductores de tubería, probadores de tubería, máquinas de soldar, máquinas de acabar, rimadores, formadores de engranes, vaciado de moldes, etc., así como mucha$ otras en la' irtdustria.l!;stas ·incluyen tantos usos como el bombeo de crudo de los pozos, manejo de materiales, elevadores, grúas, malacates, abert\lta de p~ertas, limpiado de superficie de , acero, descortesado de tronco, minería hidráulica y prueba mecánica de materiales para expansión, colapso y encogimiento. En los sistemas hidráulicos usan millones de bombas y' todas las indicaciones actuales señalan hacia una mayor aplicación de la transmis~ón dE: potencia hidráulica en el futuro . . Bombas. Se usan actualmente tres clases de bombas en los sist emas hidráulicos: (1) reciprocan tes d,e pistón, (2) rotatorias y (3} cp.ntrífugas. Independientemente del tipo usado de · bomba, están dispuestas para descargar fluido hidráulico a un motor, pistón u otro mediQ · de conversión de p::>tenciá. Frecuentemente el ·motor e& . muy simil~r a la . '" bomba, en su diseño, . Bombas Reciprocantes. La Fig. 3-17 a la 3-20, muestra cuatro bombas del tipo de pistón, construidas para servicio hidráulico. Actualmente las bombas d,e. pistón están . resolviendo muchos problemas en aplicaciones de alta presión , alta temperatura y alta velocidad. Las bombas de pis. tón con claros muy pequeños reducen al mínimo las pérdidas volumétricas por fugas, a presiones y velocidades de operación muy altas.· La capacidad de potencia de las bombas de pistón es proporcional al producto de la presión del
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
fluido, la velocidad de la ·bomba y el desplazamiento. Debido a que el peso y el tamaño son funciones principalmente de desplazamiento, un aumento en presión y velocidad reduce el tamaño de la bomba para la misma salida de potencia. Las bombas pequeñas de pistón pueden parar n veloci· dades de más de 6 000 rpni' y están más apropiadas para aplicaciones de v~locidades muy altas que las bombas de engranes y paletas. Una presión de operación alta reduce el tamaño de las otras unidades del sistema, por lo que se requiere menos v.olurnen del fl?ido ..La falla de los elementos vehículos de preSIón no espehgrosa debido a que una pequeña descarga del
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23-2. (a) '. Eomba y motor en esta unidad' de velocidad variable, se controla por ajuste de las' p lacas oscilihi't'es W ;" (b) Bomba del pistón radiar' 'a'utodesca rgable. I . :> ' .' FIG ..
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En -las Figs. 3-17 a 3-20' se muestran c~atro bombas de 'ga¡¡to variable . . El gasto pued~ variars~ ~,por. uno de .,vario,s métodos. Algul)as unidades~ la longitud\ de, la carrera., del pistón se varía cambiando el , p~so de Uliá !placa, leva o é~cén trico. En otra, un collarín ·¡¡e ,desliza sól~re ' ag1:ljeros hechos líquido ' que en ,el pistón, y controla una ~ahtidad va~able escapa a la entrada. La Fig;.,23-2a muestra una bomba de gasto .variable y motor combinado en una solft ·'~arcasa. Las salidas se cambian ajustandoJa placa 'de balánCíü W. ·En la Fig. '23-2b se muestra un~ 'urÍidad de pi~tÓnradial atito'descargable. Ésta: se descarga : ;m~Ciendo elanillá-R a una posición neutra si la presión de' descarga se' eleva más allá de un va,lqr fijo . . Cuando la presión .regresa l~ normal, el resorte S hace regresar nuevamente el anillo a. ~4 posición para en- . trega del líquido. La Fig. 22~5 muestra -una. bomba de pistÓn radial diseñada ' para operar los cilindros del. mecanismo de barcos mercantes, y embarcac;iones navales . . ', : .. ' . . Actualmente las bomba; de pistó~ iii~eG~nstr,Qyen para manejar capacitlades lrastarle 158 lps .. Son bastante comunes las presiones de. 420 kilcm', y presiones de 703. kg/cm ~ no presentan serios problemas . de diseño; Lbs fluidos hidráulicos ,resistentes al fueeopermitirán irid\¡dablemente.la operación a temperaturas m'áj; -aTtas yue ' los 77 ó ,C ' que actual-
de
FIG. ,23-1. Componentes
fluido es suficiente para reducir'lapresión a cero. Las bombas de pistón se han usado a presiones arriba de 560 kg/ cm 2 y temperaturas arriba de 204 0 C. El flujo de descarga de las bombas de pistón múltiple de aIta velocidad tiene una p.ulsación casi imperceptible: A velocidades más altas y a pre_ siones mayores -arriba de 1500 rpm y 70 kg/cm"- 18. eficiencia deja bomba .de pistón es mayor que · la de en~ra. nes o la de paletas . .' Las bombas i de · pistón están construidas, ya sea para gasto constante o variable, dependiendo .de las . necesidades del sistema que sirve. La Fig. 23-1 muestra los componentes de una bomba de pistón axial y gasto constante. T iene nueve partes principales. La rotación._ del barril del cilindro causa una acción reciprocan te de los pistones. .
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, " aOMBAS - su SELECCIÓN ,y; APLICACIÓN
mente repreiSentlm el límite. El límite ;m:áximo' presente ,de viscosidad para fluidos hidráulicos es 1000 SSu. ., , Bombas : ~,4! Potencia. Las bombas de potep~ia , ~oder. , 11a,~ , . hori~()ri~ales yserticales ,(Figs, 3·4, 3~Q -Y ~"7J , s~t usan / /, ; :: ;~ ;,,(: .""",.> ! ' \ ' ,~ :" ,: ';'. en mubhos sistérii~s hi· , .. " dráulicósindú s ttiales "' ": , cuando la presiÓn ope· , ración es de 176 ': kigicm 2 , , ' o más alta. gstasse: cón,"' _sideran ': gen, e'ralm~nte ,,'como unidades, de velQcidad cons't 'a nte ' y capa- '· cidad constante. Los descargadores de válvula de , succión los transforma-, -, , ,dorEls de' carrera '( Fig. 3,F'IG. 23.-3.. BOlDPa 4El ~ ,gasio coná~te44)' son los controles más
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BOMBAS INDUSTRIALES, HIDRÁULIC~S y DE VAcío
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de dos partes, q~ese deslizan libremente con respecto una de la otra, y que ,proporcionan un pasaje,;,91.t. conexión entre la bolsa que se encuentra abajo del impulsor y el espacio entre . . ' ' impulsores. Las bombas de engranes son norm!llmente · unidades de gasto constante y, se construyen en tamaños de 200 hp para servicios hidráulicos. Éstos operan .a velocida4~s de 200 a 4000 rpm, y existe una unidad automotriz .en operación a 9 000 rpm_ Algunas bombas están sobrecargada,s por me· dio de otra bomba de. engranes o ~entrífuga qUI¡! descarga en la entrada de succión de la bomba de engranes principal. Otras tienen un venturiu orificio en la entrada de la bomba para acelerar el flujo de aceite a la bomba_ Usando un sello de aceite de alta presión sobre la flecha de movimiento de la bomba, la unidad puede operarse en cl,lalquier dirección .
de dobles pale~. (9 ()rtesía deJ)p,dcp Division, The New Yor h Air Br~ke Co.). , ' - i~~ t-" " :¡ , ' ', '
comunes para: servicio de capacidad variable. Las bombas ge potencia se ', t ónfináh c'asi"exdi~sivamente -s:" sistemas de gran :capacidad y alta presión táles como los que~'é 'encuentran en aplicáciones de la industria' del papel, acero', petróleo y similares. Éstos ' usart f~e¿uentemei~te agua que' contiene una pequeña cantidad .de a~eite, como fl uido hidráulico y se construyen ' para ' presiones hasta de 700 kg/cm 2. , , ~ombas , Rota torias. La'~ <~P9mbas rotatorias -, del ,tipo de engranes (Figs. ', 2-2 y 2.3)asr como las bombas del tipo de paleta (Fit~ ' Z-llf son popúláres en sistemas hidráulicos. Las bombas' 'de engranes desarrollan hasta 210 kg/cm 2 , las de paleta 140 · kglcm". Pu,edert "disponerse dós bombas en serie para de'sarroHar el doble ' de las presiones si se desea. 'L as capacidades viii'Ían de un fabricante ·a otro, pero escomún una variacióTl "C!e Q,12·:a ' 19 lps para muchas fabricaciones normales. ,; , Las bombas doltipo de paleta (Fig., 23-3) son relativamen te pequeñas en tamañCl, operan' de 400 .a ,2 000 rpm, y manejan ordinariamenLe aceites de basé ' mineral con viscosidades de 70 a 300 SSU. Éstas están c~onstruidas gener~l, mente como "'unida des de gasto .constante, pero también se {)ueden obtener unidades de ,gasto variable. La unidad de la Fig. 23-3 es un tipo de doble paleta, cada una compuesta
FIG. 23·4.
Elementos hidráulicos de un elevador de carga de eleva· ciones pequeñas. (Cortesía de Otis Elevatar Ca.) .
518
519 '
BOMBAS:·INDUSTRIALEi¡I, HIDRÁUllICAS ' Y DE VAcio
BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
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Las bombas de en'granes para sistemas, hidráulicos usan · engranes rectos, helitioidales, o .en V. Estas son unidades de bajo costo, de diseñó' y constnicciónsimples., La suciedad no causa tanta dificultad en ellas como en otros tipos' de bombas. Las bombas de engranes, por otra parte, son más ruidosas que otros tipos. La Fig. 23-4 muestra la bombaro-. tatoria, la válvula de control, motor; recipiente de aceite y control del motor, para un ' elevador eléctrico de émbolo hi~ dráulico, de ·aceite,construido para aplicación de pequeñas elevaciones de 'carga de 1100 a 9000 kg. Esto es un ejemplo típicÓ , del uSO de' la bomba rotatoria en servicio hidráulico . industrial. Born basCentrífugas. . Las bO'Ttbas de 'difusor o voluta de varios pasos, carcasá ,,;".,., . ~, dividid'a y tipo barril (Figs: 11-3 y 11-5), se usa .'. en sistemas hidráulicos ,í grandes. de alta presión. Se ,usa generalmente agua pura o agua que contiene . pequeñas cantidades de aceite soluble como fluido hidráulicq de las bombas cent~ífugas. Esta clase de '.: bomba esparticularmEmte adecuada para sistemas en los que la demanda dellíquido varía poco de un va.' lor promedio. La bomba debe protegerse con tra sobrecalen tiuniento durante períodos de bajo o cero demanda. Esto puede hacerse reCirculando parte del líquido de la descarga "'l' al lado de succión de la · bomba. Es facÜble que {ac bombas centrífugas se FIG. :¿
y carcasa di~ididá han probaidó;su eficaciá ¡en ~ungran númé~ ro de aplicaciones, diferente~;'. O.tros tipos. de "bombas centrífugas,sin ·embargo, pueden ;,también iusarse\ en.;este servicio" . . . Para · próteger las bÓlllbas'· cen trÍfúgas del '·golpe ·· de " árie~ te y' vaciado' del lado de ,sü6dÓn, hay que proveer un: tan~ que qJe '-contengauna cantidad fequivaJeríte 'á 10 "seg ' o 1uta columna de' succión estática : de 5 a .,6 . m. ·" EI primértipo . de tanque deberá tener la ,mitad de su .voltÍmen · ocupado con airé, luientrás que la ~ is'egunda mitad deoerá tener una válvula automática actúa'díl por flotador,para el a ua ' o;'el ' líquido hidráulico. úsense:;plácas perforadas ;~en ' la Hnea de descarga, instaladas dé · 3(':a i4~5 . m de dis'tancia.: de la bomba, con una: carrera . recta de tubería entre eHa o/:el órificio; Esto , evita parte del golpe de 'a riete ' en la bomba", dllrante cambio sÍlbito"en la demandadeLlfquido. Cuartdo .Hay ·!que llenar . cilindtos muy grandes, comPlilébese '
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que entrega pequeñas cantidades de fluido hidráulico a muy altas presio. nes. (Cortesía de The Aldrich Pump . Co ./.
meros a presiones que ex- ' 'cedan 530 kg/cm 2 debido a que las bombas de barril
F'IG, 23'0,
Bttcioa Zentntuga para relngerante, de recto ·a motor eléctrico, típica,
a~0plamlento
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BOMBAS - SU . ~ELECCI6N y ~PLICACI6N
pacidad resultan~s se encuentran dentro , .de las caracteris· ticas normales·' y . que la bomba' no opera cerca del corte. ·Un tanque de ' amortigúacióncoil,~ .una capacidad de descarga de 10seg e. igual c~paddad de, ~e.. ~s frecuententente .muy' útil para abso.-ber ,W.gQlpe en eld,do de descarga de la Q.omba. Endimpiado de. ~ingotes de .. a~ro, se usa una bomba qiseñada espeeialmente para este · . ~ervicio. Varios fabricantes las tienen disponibles. ~ ,:; , . . . Bombas ,MovIdas por AJr~. . Para suministrar pequef'ías cantidades de potencia hidráulica a presiones bajas, medianas . o altas, se usan : frecuentemente bombas movidas .por aire. Estas unidades Gon ideales', para probar tubos, válvulas o recipientes ca· presi9n y para·.:suministrar enez:gí~ para "aciado de moldes;:de plásticos o de, prensas de banda. La Fig. 23-5 muestra una de estas' bombas; ·Construida con émbolQs de 15a 76 mm;de diámetro, desarrolla 7.24. kg/cm 2 depresión hidráulica con aih~ a .703 kg/cm 2 o 2600 kg/cm 2 con 7.03 kg/~m2 d~ presión qe aire, Hay diseños especiales disponibles para 'presiofles ' mayores. 'Cada unidad. de este disef'ío está provista con- un filtro ' d~;:.aire, regul~do~, lubricador y manómetro . para : presión hid:rª"lliea. Se construyen como bombas horizontales o verticales. ' La Fig. 8·19 muestra otra bomba hidr4ulica, movida por aire. . Bombas de R,efrigerantes. . Muchos sistemas hidráulicos y máquinas :herramientas están provistos con ' bombas independientes p~ra circulaci9n del fluido ' hidráulico o refrío frigerante a travé$·.de un cambiador de calor. Las bombas ceno . trífugas pequeñast.'de :un solo paso, su\cción lateral, acoplamiento derecho y moyidas por rrio~or (Fig. 23·6) son populares para servicio de circulación y 'refrigerante. Se. usan también algunás bombas de engranes, especialmente cuando se desean altas presiones, E'n sistemas hidráulicos grandes se usa con frecuencia una unidad adicional que se llama bomba de reposición. Esta puede ser una bomba centrífuga similar a la . de la Fig. 23·6 o una homba ..de engranes sobre la flecha de ·la bomba princip.~l. También ,:.se pueden obtener sistemas de refrigerantes completos conslatentes de bomba, tanque de reserva, tubería fIekible y conectores. El tanque puede ser rectangular o cilínddco y puede estar provisto de un filtro para eliminar abrasivos y otros sólidos. Las temperatu'ras excesivas de líquido reducen la visco· sidad de los aceités hidráulicoS, haciéndulos menos ' viscosos.
BOMBAS INDUSTRIALES, HIDRÁULICAS Y DE VAcío
521
Esto puede causar deslizamiento en. la bomba, atascamiento en partes con 'poca tolerancia, mal funcionamiento en con. troles de precisión, destrucción acelerada de propiedades vitales, y riesgo de formación ' de barniz"y ló.do. La importancia del enfriamiento correcto de los fluidos hidráulicos pue" de, pues, verse fácilmente. .0 .1 ' I .2 ~~.-~ I r-~~~~r-~~ , 1.4t-+-~-t-..¡::::""!-....±:-t-
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FIG. 23·7. (a) Vista del extremo de un impulsor de pistón líquido ; curvas típicas de operación. (b) Impulsores de vacío y 'a gua sobre una flecha. (Cortesía de Nash Engineering Co.) .
Fluidos Hidráulicos. Se ,usa aceite, agua, solución de agua y aceite, y muchos líquidos sintéticos en los sistemas hidráulicos actuales. Cuando se elige una bomba, debe comprobarse cuidadosamente si puede manejar el fluido hidráulico que habrá de usarse. Esto es importante debido a que actualmente el fluido hidráulico se elige frecuentemente más desde el punto de vista de seguridad que de .cualquier otro. Los fluidos hidráulicos resistentes al fuego, · y obtenidos por la mezcla de 'agua con materiales sintéticos no derivados del petróleo, prometen mucha mayor seguridad en el futuro .
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BOMBAS INDUSTRIALES, HIDRÁuueAs y DE VAcío
BOMBAS - SU SELECCIÓN y APLICACIÓN
Hay que tener cuidado de detenninar la viscosidlid exacta del fluido hidráulico á 'sü temperatura de trabajo debido Il que el rendimiento y consumo de potencia en la bomba está relacionada directamente con la viscosidad del líquido. Pue8~ " to que las características conocidas de los diferentes flu idos hidráulicos varían, los materiales de éonstrucción de la bomba deben ele~lrse cuidadosamente. Si es posible, el fluido hidráulico deberá tener buenas cualidades lubricantes.
FIG . 23-8. . Somba de vacío típi~a, del tipo de pistón líquido. (Cortesía de Nash Engineering Ca .) . , 6
Acumuladores. Estos son aparatos en los que el fluido hidráulico puede almacenarse duran te los períodos de descanso, manteniéndose en disposición para su utilización instantánea. Éstos permiten él uso de una bomba y motor eléctrico de menor tamaño, que el que opera continuamente. El resultado es · una eficiencia general mayor y un costo de operación menor. Los tipos de acumuladores que se usan ac- · tualmente incluyen los contrapesados, de pistón de aire y carga de gas. Los acumuladores deben elegirse cuidadosamente para el sistema particular de. que se trate debido a que una aplicación incorrecta puede conducir a difi cultades de operación. Hay que asegurarse de que todos los sistemas hidráulicos vengan provistos con una o más válvulas de alivio capaces de manejar la capacidad líquidas total de las bombas . en el sistema.
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SISTEMAS INI:>USTRIALES DE' VACrO Bombas de Pistón Líquido. En la Figó '·23.;7 se muestra una unidad de este .tipo'/" lias bombas .de ,un solo paso en, este diseño mantienen vacíos \hasta ,de 686 :mm de Hg.; .las unidades normales dé dbs .; ~asos llegan hasta . 737 ' mm de Hg de vacío. Estas bombas se usan . en muchas industrias y en aplicaciones diferentes~papel , textiles,extracción en ' v~ cío, filtro por succión,cebado 'de bombas centrífugas, condens:adores de chorro y superficie, retortas de vacío, deodorizadores . en pasterizado ras, ~'v,fJ:p.o~adOTasen dulcería y azúcar, recuperación de solventes,! de aereación, de ,,~át~x, acetato de celulosa, productos de cerá.mica, et(!, ., , -; Según .'10 muestra la Fig; ,23-7a, la bomba .'consiste de un rotor cori ,múltiples paletas,¡redondó,que gira en una . cámara elíptica "parcialmente Jlena.'CoÍl ·líq uidol 'Cuando .el roto]: · gira, el, alJillo del líquido gira ¡con. él adaptándose,a la forma elíptica de la' 'Cárrüi.ra. Ellígtlldo que ~e~ encu~ntra entre. dos paletas entra y sale del espacio correS1Jondiente durante.Ia ' operación de ·la bomba'; :succionando :aire o gas por la 'entrada, y descargándolo a través de una abertura de ~escarga Cuando se usa como bombá de calentamiento de vacío este diseño se construye algunas veces con dos impulsores sobre una sola flecha (Fig. 27~,7b). El impulsor ancho es para aire o gas y se asemeja al elemento rotatorio que se usa en ;las / bombas de vacío de pistón líquido normales (Fig.23-8). Estas bombas se usan algu:p~s veceserl serie .con bombas de . chorro de vapor, que se .describen más abajo. ,. Las bombas clínicas de vacío . se e mplean ~n .hospitales para extraer los fluidos de las incisiones durante las operaciones, para drenajes postoperativos, y en laboratorios, para filtración , limpiado de instrumentos y transferencia de lí- . quidos y gases. Las unidades como. la de la Fig. 23-8 . se aplican frecuentemente en hospitales para servicio de vacío. Éstas se localizan en un punto central con un receptor, del cual parte ', la tubería a las salidas del servicio. . Bombas de Vacío de .Chorro de Vapor. Ést as se usan para muchos de los misl'l}Os servicios e~ que se emplean las bombas de pistón líquidó, así como muchos otros. Se construyen como unidades de 'unó o varios pasos (2, 3 y 4 pasDs) y producen vacíos de 740 mm de Hg o mayores, cuando se usa vapor entre 4.5 y 7 kg/cm". Estas bombas utilizan la
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
, energía cinética del vapor pant'átrapar, elimimirocomprimir gases y vapores. Se pueden construir como unidades conden' santes o no :cor'ldensantes., Los"materiales normales ,de ,construcción se, usan para gases no ~c,orrosivos; para: gases corrosivos, el interior, ,de l~' bomba está cubierto conLhule, plástico, silicato, h,aveg" ,etc,'·En el Cap.f,{l se discuten algunas insta ~ laciones típicas. Otros usos incluyen muchos tipos de pro~esos de filtro, 'destilación, impregnación, absorción, secado, mez" clado, transferencia de vacío, y:empaques; Selección de ,{Bombas. .capácidad:Ést~ 'puede expresarse en función de ca ballajé:Q~\,',salida o gasto de bombeo, centíniétros cúbicos por minuto,'Jitros por hora, o litros por minuto o~ór segundo. La bomba 'debe elegir.s~ para ' llenal' los requisito's de despl;lzamieritos dd motorr cllmdro ,u otras unidades a las que sirve. Genérálmente, ' la carga determina el tipo o tipos de motores reqU'eridos. Éstos a su vez determinan ,la capacidad de la bom~a.. Columna: Las bomba:s p~e den construirse para desarrollar su gasto a dos o más preslOnes, dependiendo de la capacidad requerida. De manera que hay que elegir la coh,lmna s~bre la base de capacidad req~e-, rida para los tipos y tamaños de aparatos usados en el SIStema. Matf:riales: Compruébesequela bomba "es adecuada para ol fluido hidráulico elegido. Movimiento: Los más comunes w n motores eléctricos, Número- de bombas: Solamente 'una por aplicl'lción, sin reserva. Esto man tiene los costos bajos. Tubería: Puede requerirse ' tubería especial para las altas presiones que se usan actualÍhEmfe. Consúltese con elfabricante de la pomba.
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Las plantas siderúrgiCa~en E~Úldo-s Unidos usan cerca ' de 380 000 lps ' de' agua. Los, altós hornós~) laminadoras y plantas aceración usaron un total de t1' 750 millones de litros de agua en 1953. Alrededor del 55 por ciento de esta agua se- recirculó de nuevo a fuentes de superficie, frecuen~ temen te mas pura que , cuando "se tomó para usarse en la planta. Más del 90 por cient,o del a,g uapara altos hornos y el 80 por ciento de plantas de aceradó~~\y de laminación se tomó de fuentes de agul;l de . superficie: 'Menos del 5 pOi' ciento se obtuvo qe pozos; yel restante ele" sistemas de su.. .. ... ';\~,"< . ministro público . . '. . Las bombas usadas ,en producCión de. hierro y acero son frecuentemente unidades de aplicación general de varios tipos, d~pendiendo . de los requisitos de columna y capacidad. Cuanto a detalles Isobre la selección y aplicación de estas ' . y otras bombas en fabricación de acero, véanse los capít ulos iniciales de este libro. En operaciones de limpieza de ling::>tes se emplea frecuentemente una presión de 70 kg/cm~ . El agua descargada a esta presión contra el metal produce un enfriamiento rápido. Asimismo, el · impacto a chorro ' es suficiente para remover las escamas de metal de la' superficie. Un chorro de agua a 70 kg/cm~ corta fácilmente una perforaCión en una placa de madera de" 25 ' mm de grueso. Las bombas de potencia vertical (Cap. 3) se usan mucho para descascarado en' plantas siderúrgicas, el limpiado de vaciados . €n fundiciones y limpieza de tubos de cambiadores de calor e.nrefinerías y plantas " químicas, Proceso de Gas Natural. Muchas operaciones de bombeo se desarrollan en la producción, alma'cen,i miento y transporte de gas natural. Éstas incluyen de sulftiración del gas , natural, almacenamiento. de gases de petróleo .y líquidos en depósitos subterráneos y manejo deglycol etilen:) en opera-
de
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
ciones de deshidratación de gas natural. Las bombas de potencia de varios cilindros, son muy populares. Las bombas de turbina regenerativasseusan también mucho. Éstas manejan muchos gases licuados, incluyendo propano, butano e iso butano y están provistas con motores a prueba de explosión así como sus controles en servicio estacionario. Para camiones que transportan estos gasés, las bombas .se pueden conectar a una fuente de energía. Las bomb~:,; de turbina regenerativas que manejan gases de petróleo líquidos deben tener tuberías · de succión cuidadosamente dimensionadas. Los tamañosr~comendados generalmente son 51 mm para 1.2 a 1.9 lps7,6 mm para 2.8. a 3.8 lps y 102 mm para 6. 3 lps.
527
FIERRO, ACERO Y OTRAS INDUSTRIAS
agua de alta temperatura. Además de rr!uc~os otros tipos para producc.ión de "potencia:. Ver los capítulos iniciales para de;Utlles. . . .' .... .' .
FIG: 24-2. Vistas posteriores, de ',extremo y frontal de un Impulsor de un paso con guías de paleta. (Cortesía de De · Laval Steam Turbine
Ca) . .
Periódicos. tas bombas de tinta presentan frecuentemente problemas en las plantas de impresión de periódicos porque la tinta, al recibirse, es viscosa y . requiere manejo ' cuidadoso para evitar derrames y contaminación. Las bom- " .[ ~ FIG. 24-1.
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sía de Peerless Pump Division, 'Food M achin.ery and Chemical Corp.).
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Bomba de proceso de un paso con sucdón lateral. ( Co rú'-
Las bombas de carcasa dividida de var.ios pasos, de voluta y difusor se usan para servidos de alta presión, alta capacidad en la pr.oducción de gas natural y tienen generalmente una carcasa hecha con viga 1. Los ' miembros Íongitudinales de la carcasa se asemejan a las vigas 1 y forman una estructura rígida que ~egura buen alineamien to en todo momento. Las bombas de proceso de un solo paso de succión por el extremo o lateral son también populares en operaciones de gas natural. La Fig. 24-1 muestra una unidad típica . Esta maneja ha.s ta 63.1 lps a columnas de 21 kg/cm" y temperaturas hasta .427°C. Plásticos, ' La manufactura y producción de plásticos involucra el uso de muchas bombas. Ést as incluyen bo~bas ele agua de aplicación general, de aceites-hidráulica yde
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Presión de la caja de empaque, obtenida con las guías de pal eta. (Cortesía de De Lrival Steam Turbine Ca.).
bas de engranes rotatorias representan una elección común para bombear tinta. En mUGhas plantas se usa una bomba separada para cada color de tinta empleada. Una sola bomba ele reserva sirve para todos los colores. Otras bombas que se usan en plantas de periódicos están' cubiertas en capítulos anteriores.
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FIERRO, ACERO Y OTRAS INDUSTRIAS
529
Manufactura de Pinturas. El bombeo de 'p inturas así COmo de los componentes que se usan" en su,. fabricación es . complicado.- Se . requiex:e operación a prueba de fug/:!-s y son muy populares las bombas ' rotatorias provista:s de sellos mecánicos. (Fig. 11 ~ 10 Y Cap. 2). ,estos manejan en forma efec· tiva pintural.i , aceites, pigmentos, etc.' . Cosméticos. Las bombas de pequeñá capacidad centrífugas y de engranes encuentran aplicación en la producción "de cosméticos de todos tipos. No hay problemas especiales en su aplicación. Lo mismo es cierto para fabricación de :productos farmacéuticos~ Industria Automotriz. Las plantas :que producen ca,nos y camiones son generalmente grandes y usan muchas bombas. En su mayór parte estas son unidades normales construidas para llenar especificaciones habituales. Las bom· ·bas de aplicación general y succión en un. extremo para procesos, utilizables en este y muchos otros sefVicios en la in· dustria, fre cuentemente tieneq paletas eduCtoras (Fig. 24-2). Éstas -reducen la presión de la caja de empaques de manera que trabajando a la columna . especificada de la bomba la presión en la caja .deempaque es cero o prá.cticamente cero (Fig. 24-3); así se asegura una ..vida más larga en el empaque a costos de mantenimiento ' relativamente rnasbajos. Electrón ica. Se , emplean grandes cantidades de agua · pura en la ll:lanufactt;lra de tubos de televisión. Puesto que la pureza extrema es un requisito . importante, las bombas elegidas operan mejor con sellos mecánicos. Los demás serVIcios de la industria electrónica son normales. Para producción de tubo de televisión, son comunes las bombas cent rí· fugas de aplicación general del tiRO . voluta. El agua debe filtrarse y purificarse antes de usarse. Siempre que se tienen grandes gastos o presiones altas, debe considerarse la operación a velocidad ajustable. La Fig. 24-4 ' muestra una comparación interesante de tres métodos de operación. La curva A muestra la demanda de ener· gía requerida con dos bombas centrífugas que operan en serie y movidas a velocidad constante ajustando su salida por estrangulación; Cuando el flujo de descarga se regula ajustando la velocidad de ambas bombas se obtiene la curva B. Cuando sólo se ajusta la velocidad de una de las bombas se obtiene la curva C. Nótese tamhién la curva aplanada HQ obtenida con movimiento de velocidad ajustable.
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BOMBAS - SU SELECCIÓN Y APLICACIÓN
Trabajo de Metales. Las bombas de refrigerante (Capítulo 23) y las bombas hidráulicas de aceite yagua, cubiertas en elrilismo capítulo; son los tipos más comunes que se usan en . trabajo de metaL Es importante la elecCión cui" dadosa debido a que estas unidades protegen equipo caro. La Fig. 24-5 muestra una bomba de acoplamiento estrech'l típica pa,r a este y otros servicios. En algunas industrias la bomba centrífuga del tipo "hidrocónica" se usa mucho. Esta es sencillamente una unidad centrífuga de varios pasos con una boquilla de forma cónica provista de una placa de dispersión de agua. El líquido que deja el primer paso de la bomba entra a la boquilla, saliendo a través de una abertura formada entre la boquilla y la placa. La descarga del líquido, radialmente en todas direcciones sobre la orilla' de la placa ' efectúa la conversión de velocidad a presión con poca pérdida. Los educto~s, que son aparatos muy parecidos a los eyectores de chorro de ' vapor, pero qt¡te usan agua en lugar de vapor como fluido motriz, encuentran aplicaciones en muchas industrias para cebado y auxiliares de bombeo. Como cebador, el eductor trabaja .en forma similar a los aparatos ' de la Fig. 7-37, Cuando está diseñado para auxiliar una bomba, el eductor funciona solamente cuando el nivel del ' líquido en el tanque de succión se abate más allá del normal. En ese momento opera el eductor y descarga líquido en la línea de succión de la bomba , asegurando gasto positivo en la bomba.
NOTAS
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