INTRODUCCION
La bomba centrífuga, también denominada bomba rotodinámica, es actualmente la máquina más utilizada para bombear líquidos en general. Su propósito es convertir energía de un primer elemento (un motor eléctrico o turbina) primero en velocidad o ener energí gía a ciné cinéttica ica lueg luego o en ener energí gía a de pres presiión de un flui luido que que est está bombeándose. Las Las bomb bombas as !an !an teni tenido do tien tienen en un pape papell deci decisi sivo vo en el desa desarr rrol ollo lo de la !umanidad. "o es posible imaginar los modernos procesos industriales la vida en las grandes ciudades sin la participación de estos equipos. Las bombas centrifugas se encuentran en todos lados en los !ogares# como en la máquina lavaplatos, tinas de ba$o, lavadoras secadoras de ropa, secadoras para el cabello, aspiradoras, campanas de e%tracción de cocina, sistema de ventilación del sanitario, sopladores, !ornos, entre otros aparatos. Se utilizan en automóviles# la bomba del agua del motor el ventilador en la unidad de aire acondicionado, entre otros aditamentos. &simismo, las bombas centrífugas están en la maorí maoría a de las las indu indust stri rias# as# se util utiliz izan an en sist sistem emas as de vent ventililac ació ión n de construcciones, en las operaciones de lavado, en depósitos de enfriamiento torres de enfriamiento, aparte de otras numerosas operaciones industriales en las cuales los fluidos tienen que bombearse. &lgo que siempre debe recordarse es que una bomba no crea presión, esta sola solame ment nte e propo proporci rcion ona a flu' flu'o. o. La presi presión ón es sola solame ment nte e una una indi indica caci ción ón de la resistencia al flu'o.
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CONTENIDO BOMBAS CENTRIFUGAS
1. "*&L+&S -/-&S 0"1*+23&S4 3" 3"& -/-& 0"1*+23& 6 2. 5&*1S 3"& -/-& 0"1*+23& 7 3. 23"0+"&/+"1 3" 8 4. 0L&S+2+0&0+" L&S -/-&S 0"1*+23&S 8 4.1 0L&S+2+0&0+" S9" 2L3+ 4.2 0L&S+2+0&0+" S9" 0&*&01*+S1+0&S /1*+0&S LS &L&-S 03*:& 0&*& 0&*&01 01* *+S +S1 1+0&S +0&S -/ -/-&S -&S 0"1* "1*++23 23&S ;; 5. 03* 5.1 03*:& "5S< = 0&3&L;> /&1+0S ;? 6. 5*+"0+5+S /&1/& @*0+0+S +S ;4 7. @*0+0 9. &*1+03L ;7 -+-L+*&2+& >; 10. -+
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1. GENERALIDADES BOMBAS CENTRIFUGAS Las bombas centrífugas son máquinas denominadas AreceptorasA o AgeneradorasA que se emplean para !acer circular un fluido en contra de un gradiente de presión, son siempre rotativas son un tipo de bomba !idráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor. 5ara que un fluido flua desde donde !a maor presión !asta donde !a menos presión no se necesita ningBn gasto de energía (5or e'emplo# un globo desinflándose, o un líquido desplazándose desde donde la energía potencial es maor !asta donde es menor) pero, para realizar el movimiento inverso, es necesaria una bomba, la cual le comunica al fluido energía, sea de presión, potencial o ambas. 5ara esto, necesariamente se tiene que absorber energía de alguna máquina motriz, a sea un motor eléctrico, uno de combustión interna, o una turbina de vapor o gas, etc. ecir que una bomba Agenera presiónA es una idea errónea aunque ampliamente difundida. Las bombas están capacitadas para vencer la presión que el fluido encuentra en la descarga impuesta por el circuito. 5or e'emplo en un compresor de llenado de botellones de aire comprimido para arranque de motores navales# l botellón en un principio está a presión atmosférica, por ende la presión que debe vencer el compresor es sólo la representada por las caídas de presión en la línea, el filtro, los codos las válvulas. "o obstante, a medida que el botellón de aire comprimido se va llenando, es necesario también vencer la presión del aire que se fue acumulando en el mismo. 3n e'emplo más cotidiano es el llenado de un globo o de un neumático.
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2. PARTES DE UNA BOMBA CENTRIFUGA
FIG 1. PARTES DE UNA BOMBA
1. Una t!"#$a %" a&'(#a)(*n+ que conclue prácticamente en labrida de aspiración. 2. E, (-',&# #%"t", formado por un con'unto de álabes que pueden adoptar diversas formas, segBn la misión a que vaa a ser destinada la bomba, los cuales giran dentro de una carcasa circular. l rodete es accionado por un motor, va unido solidariamente al e'e, siendo la parte móvil de la bomba. 3. La /,ta es un órgano fi'o que está dispuesta en forma de caracol alrededor del rodete, a su salida, de tal manera que la separación entre ella el rodete es mínima en la parte superior, va aumentando !asta que las partículas líquidas se encuentran frente a la abertura de impulsión. Su misión es la de recoger el líquido que abandona el rodete a gran velocidad, cambiar la dirección de su movimiento encaminarle !acia la brida de impulsión de la bomba. 4. Una t!"#$a %" (-',&(*n, instalada a la salida de la voluta, por la que el líquido es evacuado a la presión velocidad creadas en la bomba.
3. FUNCIONAMIENTO DE UNA BOMBA CENTRIFUGA 4
FIG 2. FUNCIONAMIENTO DE UNA BOMBA CENTRIFUGA
1odo el ensamble que gira que consiste en la flec!a, los álabes del impulsor, el nBcleo el refuerzo del impulsor se denomina #%"t" #t# . l fluido entra de manera a%ial a través de la parte central !ueca de la bomba (el o'o), después del cual el fluido enfrenta los álabes rotatorios, adquiere velocidad tangencial radial por la transferencia de cantidad de movimiento por parte de los álabes, adquiere velocidad radial adicional por las fuerzas llamadas centrífugas, que son en realidad falta de fuerzas centrípetas para sostener el movimiento circular. l flu'o sale del rotor después de ganar tanto velocidad como presión cuando es lanzado radialmente !acia afuera del rotor !acia la voluta. 0omo se ilustra en la figura (), la voluta es un difusor en forma de caracol cuo ob'etivo es desacelerar el movimiento rápido del fluido que abandona los bordes posteriores de los álabes del rotor, debido a lo cual aumenta todavía más la presión del fluido, combinar dirigir el flu'o desde todos los pasa'es entre los álabes !acia una salida comBn. La voluta es también un transformador de energía, a que frena la velocidad del líquido, transformando parte de la energía dinámica creada en el rodete en energía de presión, que crece a medida que el espacio entre el rodete la carcasa aumenta, presión que se suma a la alcanzada por el líquido en el rodete. 5
4. CLASIFICACION DE LAS BOMBAS CENTRIFUGAS
4.1 CLASIFICACION SEGN FLUIDO Las bombas centrífugas !acen parte de un grupo de máquinas denominadas bombas rotodinámicas, las cuales están caracterizadas por la e%istencia de un elemento impulsor (o impeller) el cual es movido por un e'e que le transmite la potencia a dic!o elemento. entro de este grupo se encuentran las bombas de flu'o a%ial, mi%to radial (2ig.;)C estas Bltimas, de interés para el desarrollo de estas líneas.
Impulsor axial
Impulsor de doble flujo
Impulsor tipo
Impulsor mixto intascable
FIG 3. TIPOS DE IMPULSORES
Las bombas rotatorias se clasifican por la manera en la cual el flu'o sale de la bomba# flujo radial (centrífugo), flujo axial flujo mixto (o radioaxial). n el caso de una !-!a %" , #a%(a,, el fluido entra de manera a%ial (en la misma dirección que el e'e de la flec!a giratoria) en el centro de la bomba, pero se descarga de manera radial (o tangencialmente) a lo largo del radio e%terior de la carcasa de la bomba. 5or esta razón las bombas centrífugas reciben también el nombre de !-!a& %" , #a%(a,. n el caso de una !-!a %" , a(a,, el fluido entra sale a%ialmente, en general a lo largo de la parte e%terior de la bomba debido al bloqueo de la flec!a, motor nBcleo, entre otros. 3na !-!a %"
, -(t es considerada intermedia entre centrífuga a%ial, a que el flu'o entra
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en forma a%ial, no necesariamente en el centro, pero se descarga a un ángulo entre las direcciones radial a%ial. D.> CLASIFICACION SEGN CARACTERISTICAS GEOMETRICAS DE LOS
ALABES
%isten tres tipos de bombas centrífugas que 'ustifican un análisis, con base en las características geométricas de los álabes, alabes inclinados !acia atrás, álabes radiales álabes inclinados en el sentido del giro. Las
bombas
centrífugas
con
,a!"&
(n),(na%& a)(a at#& (2ig. ) son las más comunes. 5roporcionan la más alta eficiencia de los tres
porque el fluido pasa por los
pasa'es de los álabes con la mínima cantidad de giros. &lgunos álabes tienen forma currentilínea, lo cual produce una operación similar, pero una eficiencia todavía maor. A
Las que tienen ,a!"& #a%(a,"& (también denominados ,a!"& #")t&, 2ig.) tienen las características geométricas más sencillas generan el incremento de presión más grande de los tres tipos de bombas p ara una diversidad de valores de gasto volumétrico, pero el incremento de presión disminue con rapidez después del punto de eficiencia má%ima. B
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Las
bombas
centrífugas
con
,a!"&
(n),(na%& "n ", &"nt(% %", (# (2ig. ) producen un incremento de presión que es casi constante, si bien más ba'o que el de los álabes inclinados !acia atrás de los álabes rectos,
en
una
diversidad
amplia
de
cantidades de volumen. 5or lo general, las bombas centrífugas con álabes inclinados en el sentido del giro tienen más de estos B
elementos, pero son más peque$os, como se
FIG 4. TIPOS DE ALABES
ilustra en la figura (). stas bombas tienen una eficiencia má%ima inferior que la de las bombas de los álabes rectos. Las curvas de rendimiento de la carga !idrostática neta la potencia al freno para estos tres tipos de bombas centrífugas se comparan en la figura (). Las curvas se !an a'ustado de tal manera que cada bomba alcanza la misma descarga libre (gasto volumétrico má%imo a carga neta cero). "ote que estos esquemas son cualitativos sólo con el propósito de !acer la comparación, por lo que las curvas de 8
rendimiento medidas reales difieren bastante en forma, dependiendo de los detalles del dise$o de la bomba.
5. CURA CARACTER8STICA DE UNA BOMBA
La curva característica de una bomba describe la relación entre la altura manométrica (caída de presión) el caudal, datos que permiten escoger la bomba más adecuada para cada instalación. La altura manométrica de una bomba es una magnitud, e%presable también como presión, que permite valorar la energía suministrada al fluido, es decir, se trata de la caída de presión que debe de vencer la bomba para que el fluido circule segBn condiciones de dise$o.
0omo puede observarse en la figura anterior, para cada velocidad de rotación n, !a una curva característica. "ótese también que si la velocidad se reduce, también disminue la altura manométrica má%ima el caudal má%imo.
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5.1 CURA NPS : CAUDAL 0uando se bombean líquidos es mu probable que la presión local dentro de la bomba caiga por aba'o de la '#"&(*n %" /a'# del líquido Pv (Pv también se denomina '#"&(*n %" &at#a)(*n Psat C en las tablas termodinámicas aparece como función de la temperatura de saturación). 0uando P EPv , se producen burbu'as llenas de vapor, que reciben el nombre de !#!a& %" )a/(ta)(*n.
Se puede apreciar que, si la velocidad de rotación n se mantiene constante, la curva de potencia absorbida 5 aumenta con el caudal. l rendimiento F, en cambio, tiene un má%imo en presencia de un determinado caudal disminue cuando el caudal se !ace superior o inferior a dic!o valor.
espués de que se forman las burbu'as de cavitación, se transportan por la bomba !asta regiones donde la presión es maor, lo cual ocasiona el colapso rápido de las mismas. 5recisamente este colapso de las burbu'as es lo indeseable porque ocasiona ruido, vibración, reduce la eficiencia, pero lo más importante es que da$a los álabes del rotor. l colapso repetido de las burbu'as cerca de la superficie de los álabes les ocasiona picaduras o erosión, , con el paso del tiempo, les provoca fallas catastróficas.
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5. PRINCIPIOS MATEMATICOS
FIG 5. ACERCAMIENTO DE LA VISTA LATERAL DE LA BOMBA CENTRÍFUGA SIMPLIFICADA CON EL OBJETIVO DE EFECTUAR EL ANÁLISIS DE LOS VECTORES DE VELOCIDAD
GASTO
OLUEMTRICO
;)a'a)(%a%<=
0orresponde a la velocidad de flu'o con la cual el líquido es movido o empu'ado por la bomba al punto deseado en el proceso.
CABE>A= La importancia del término cabezaA radica en su uso como una forma particular para e%presar el término presión# La presión en cualquier punto de un líquido puede ser considerada como aquella que es causada debido al peso del fluido que se está bombeando. se define como el cambio en la carga !idrostática de -ernoulli entre la entrada la descarga de la bomba.
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H= [m]
POTENCIA UTIL= La carga !idrostática neta es proporcional a la potencia Btil entregada al fluido.
BP?la potencia e%terna que se proporciona a la bomba se denomina 't"n)(a a, #"n 't"n)(a
%" a))(na-("nt 't"n)(a a!&#!(%a, la cual se abrevia como b!p (por sus siglas en inglés# brake horsepower ).
POTENCIA
W: es la velocidad rotacional de la feca !rad"s# $feca: es el momento de torsi%n o &ar de torsi%n '(e se s(ministra a la feca)
ABSORBIDA
CAUDAL= La potencia absorbida depende de las características 5 G potencia absorbida por la bomba HIJ altura manométrica de la bomba. KG densidad HgMm qG caudal Hm?MsJ s la potencia que consume la N5G caída de presión en el circuito o altura propia bomba para accionar el manométrica H5aJ *1G rendimiento total de la bombaHadimensionalJ e'e. de traba'o, del caudal de la
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NPS ;NET POSITIE SUCTION EAD+ O ALTURA NETA POSITIA EN LA ASPIRACI@N<= 0on el fin de evitar la cavitación, es necesario tener la certeza de que la presión local en cualquier punto de la bomba se mantiene por arriba
La diferencia entre la carga de presión de estancamiento en la entrada de la bomba y la carga de la presión de vapor
de la presión de vapor. Oa que la presión es lo más fácil de medir (o estimar) en la entrada de la bomba, los criterios de la cavitación se especifican siempre en la entrada de la bomba. s adecuado utilizar un
parámetro de flu'o llamado )a#a %" a&'(#a)(*n
n"ta '&(t(/a ;NPS+ '# && &(,a& "n (n,&<.
NPSH=
+,-./ $.-,/ +,-./ -.$$/ +,-./ // +,-./ -
NPS REUERIDA DE LA BOMBA# s una característica propia de la bomba, se define como la energía necesaria para llenar la parte de aspiración vencer las pérdidas por rozamiento aumentar la velocidad.
NPS DISPONIBLE DEL SISTEMA = s una característica del sistema se define como la energía que tiene un líquido en la toma de aspiración de la bomba (independientemente del tipo de esta) por encima de la energía del líquido debida a su presión de vapor
EFICIENCIA DE LA BOMBA# Se define eficiencia de la -omba como la relación de la potencia Btil la potencia suministrada
. EERCICIOS= ;. Se necesita bombear DP m ? de agua a >>P Q2 >,>D6 5sig en ? !oras, del depósito & al -, donde la altura desde la superficie del agua !asta la línea central de la bomba es de 4,R;P pie 6,P6P pie respectivamente. & través de una tubería de acero comercial cédula DP de >PPP pie de longitud en la línea de succión una 13
bomba con un impeler de 4 pulgada, cua curva característica se muestra en la figura ;?.>8. etermine# a) La presión en la succión la descarga en 5sia. b) Si la bomba cavita por "5S< insuficientes que medidas tomaría para evitarlo. c) 5otencia desarrollada por la bomba (
>. Se desea dise$ar una bomba centrífuga para bombear refrigerante *T;?Da líquido a temperatura ambiente a presión atmosférica. Los radios de entrada salida del rotor son r; ;PP mm r> ;8P mm, respectivamente Los anc!os de la entrada la salida del rotor son b; 4P mm b> ?P mm (perpendicular al plano de la página de la figura. La bomba debe entregar P.>4 m?Ms del líquido a una carga !idrostática neta de ;D.4 m cuando el rotor gira a ; 7>P rpm. ise$e la forma del álabe para el caso en el cual estas condiciones de operación son las condiciones de dise$o de la bomba (:;,t P, como se ilustra en la figura)C específicamente, calcule los ángulos b; b> , analice la forma del álabe. 5rediga también la potencia que necesita la bomba.
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ARTICULO LA INFLUENCIA DE LAS NANOPART8CULAS DE SIO2 EN LA INICIACI@N LA INTENSIDAD DE CAITACI@N EN UNA BOMBA DE AGUA CENTR8FUGA Ma&a E!#a(-( B(%an%(+ A,(#"a R(a&(+ M"%( A&a"" l ob'etivo principal de este traba'o es e%aminar el efecto de las nanopartículas de Si> en la iniciación de cavitación en una bomba de agua centrífuga. 3na cuc!illa curvada !acia atrás en una bomba centrífuga con un carga !idrostática nominal la tasa de flu'o >,D m ;> L M min se !a utilizado. &demás, se a$aden 7nm partículas Si> a agua desionizada a fin para preparar el nanofluido con P,;U, P,DU, las concentraciones (ml Si> M ml de <>) P,7U. 1ambién se llevan a cabo las pruebas a tres temperaturas diferentes (;PQ0, >4Q0 DPQ0) para investigar la iniciación la cavitación su intensidad a través de los pasa'es de cuc!illa de la bomba. Los parámetros clave de esta investigación son# (a) La concentración de las nanopartículas de Si>, (b) temperatura del fluido. +niciación de la cavitación a través de los pasa'es de cuc!illa se identifica mediante dos métodos diferentes# (a) observando visualmente la población de burbu'as en el flu'o de con una cámara de alta velocidad (b) análisis de curvas características de la bomba. Los resultados muestran que las nanopartículas de Si> puede 15
posponer la iniciación efectiva de cavitación sobre todo disminuir la tasa de crecimiento de la cavitación. 5or otra parte, se !a encontrado que el crecimiento de la burbu'a se reduce al aumentar la concentración de nanopartículas esto es más pronunciado a temperaturas más altas. La cavitación es un fenómeno fundamental que se produce cuando fluen líquidos puede ocurrir cuando la presión estática local en unas gotas de fluidos está por deba'o de la presión de vaporización del líquido a la temperatura real. 5or otra parte, las nanopartículas de Si> cambian las propiedades del agua esto puede afectar a la formación de burbu'as, su crecimiento colapso de este, los siguientes puntos deben ser considerados# ;.
La formación de burbu'as se ve afectada por el aumento de la viscosidad en
una manera que su formación liberación tendrán más obstáculos H>,>8J. 5or otro lado, se sabe que la adición de las nanopartículas de Si> aumenta la viscosidad del fluido H>RJ. &demás, la concentración de nanopartículas de Si> está en directa relación con la tendencia ascendente de la viscosidad del fluido H>RJ. >.
La formación de burbu'as de energía es maor alrededor de las
nanopartículas en comparación con condiciones similares en agua pura. -asado sobre las investigaciones disponibles, este !ec!o tiene una considerable impacto en la estabilidad de las burbu'as de H?PJ. ?.
+niciación la intensidad de cavitación pueden ser alterados ba'o el impacto
que las nanopartículas de Si> tienen sobre la presión de vapor tensión superficial H?;JC incluso en condiciones en que la concentración ba'a de nanopartículas conduce a una presencia insignificante de dic!os impactos. D.
5or Bltimo, estudios recientes indican que las nanopartículas que
empleanes eficaz en la absorción de burbu'as aberrantes. 16
MTODO DE OBSERACI@N ISUAL Int"n&(%a% )a/(ta)(*n La figura muestra cuatro imágenes diferentes de las burbu'as de cavitación a través los pasa'es de cuc!illa en la misma condición operativa para cuatro diferentes concentraciones de nanofluido que son capturados por el alto cámara de velocidad. :ale la pena mencionar que la temperatura es constante en estos casos. 5ara obtener una visión más profunda de este fenómeno, la cavitación involucrados volumen se !a calculado a través de la estimación del tama$o de las burbu'as la población. l tama$o el nBmero de burbu'as se calculan con el softVare de @. *iver /edia 0enter. ntonces, el volumen involucrado de las burbu'as para cada estado se calcula por el programa MATLAB.
F(. 4. La& !#!a& %" )a/(ta)(*n 'a#a= ;a< aa %"&(n(a%a+ ;!< S(O2 0+1H+ ;)< S(O2 0+4H+ ;%< S(O2 0+7H a 40 ) )n &))(*n "n 5H ,a a!"#t#a %" %"&)a#a %" ,a /,/,a a, 75H. MTODO DE LA CURA CARACTER8STICA iagrama de
17
)a!"a %" ,a !-!a
%"n&(%a% nan,(%
A,t#a %" a&'(#a)(*n n"ta '&(t(/a ;NPS<
F(. 5. D"t"))(*n %" )a/(ta)(*n !#!a& '# ,a& a!"#t#a& %" ,a /,/,a %" %"&)a#a= ;a< 75H+ ;!< 60H+ ;)< 50H+ ;%< 40H a na a'"#t#a %" ,a /,/,a %" a&'(#a)(*n )n&tant" %" 75H na t"-'"#at#a %" 40 C.
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F(. 6. %(a#a-a %" J K" -"&t#a ,a (n()(a)(*n ,a (nt"n&(%a% %" ,a )a/(ta)(*n a na t"-'"#at#a )n&tant" %" 10 C )n na )n)"nt#a)(*n %" 0+1H nan,(%. l inicio de cavitación se retrasa al aumentar la concentración de nanopartículas. Los resultados presentados corresponden bien con los resultados reportados. llos !an demostrado que la adición nanopartículas causar un aumento de absorción de las burbu'as. 5or otra parte, se !a encontrado que el crecimiento de la burbu'a se reduce al aumentar la concentración de nanopartículas esto es más pronunciado a temperaturas más altas.
6. BIBLIOGRAFIA A2loV of 2luids 1!roug! :alves, 2ittings, and 5ipeA. 0*&".1ec!nical 5aper "o. D;P. Seminario -ombas 0entrifugas. Selección, peración, 2uncionamiento. &S/ +nternational. -ogotá, &gostoMP4. 0"L, Oungus. /0&"+0& 2L3+S, /0 raV
19
/anual para el dise$o de una red !idráulica de climatización. 1/& 6 -/-&S 0"1*+23&S(!ttp#MMbibing.us.esMproectosMabreproM4PR;Mfic!eroM6XT X-/-&SX0"1*U023&S.pdf)
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