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Definiciones Bombas hidráulicas: hidráulicas: Es una máquina que absorbe energía mecánica y restituye al líquido energía hidráulica (Claudio Mataix). Bombas hidráulicas: hidráulicas: Son maquinas operadoras que `proveen energía al fluido o líquido con la finalidad de transportarlo transportarlo de un punto inicial a otro punto cualquiera, obedeciendo las condiciones del proceso. (Reynaldo de Falco) Las bombas reciben energía de una fuente motora cualquiera y transmiten parte de esta energía al líquido en forma de energía de presión y energía cinética o ambas. Las mismas aumentan la presión del líquido, la velocidad o ambos valores. La relación entre la energía dada al líquido y la energía que fue recibida de la fuente motora, nos da el rendimiento de la bomba. Clasificación de las bombas Se clasifican en: Bombas rotodinamicas o turbobombas y Bombas de desplazamiento positivo.
Clasificación de BOMBAS según “Hydraulic Institute” de EEUU
VOLUMÉTRICAS (Desplazamiento positivo)
ALTERNATIVAS
PISTÓN, EMBOLO o DIAFRAGMA
ROTATIVAS
TORNILLO, ENGRANAJE, LOBULOS, ETC.
TURBO-BOMBAS (Dinámicas) Dinámicas)
CENTRÍFUGAS
PERIFÉRICAS PERIFÉRICAS o HELICOIDALES
FLUJO RADIAL, MIXTO o AXIAL
UNI-ETAPA
UNIPASO o MULTIPASO
MULTI-ETAPA
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1-Las bombas rotodinamicas: También llamadas de turbobombas o dinámicas, son maquinas en las cuales el movimiento movimiento del liquido li quido es producido por fuerzas que se desarrollan en la masa liquida, debido a la rotación de un rotor (rodete) con un cierto número de alabes especiales. La diferencia entre los tipos de turbobombas es determinado en función de cómo cómo el rotor provee energía al fluido, o por la orientación del liquido al salir del rodete.
2-Las bombas de desplazamiento desplazamiento positivo: o llamadas bombas volumétricas, son aquellas en que la energía suministrada al líquido es en forma de presión, no existe la necesidad de transformación como en las bombas rotodinamicas o turbobombas. El órgano transmisor de la l a energía de presión es causada por el movimiento de un órgano mecánico de la bomba. (Embolo, pistón, diafragma)
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Clasificación de bombas según la forma en que la energía es dada al fluido: Bombas: Dinámicas o rotodinamicas y Desplazamiento positivo. Dinámicas: bombas centrifugas, bombas de flujo mixto (semi axial), bombas flujo axial, bombas periféricas o regenerativas. Bombas centrifugas: radiales, tipo Francis.
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5 Desplazamiento positivo: bombas alternativas, bombas rotativas. Bombas alternativas: pistón, embolo, diafragma. Bombas rotativas: engranajes, lóbulos, tornillos, paletas deslizantes.
Clasificación de bombas (según su aplicación específica) a) Abastecimiento de aguas municipales y rurales b) Sistemas de bombeos de aguas negras. c) Drenaje pluvial. d) Red y combate de incendios. e) Industrias químicas. f) Industrias alimenticias, servicios marítimos, sistemas hidráulicos, producción de petróleos, sistemas de condensado, sistemas de alimentación de calderas, industrias de bebidas, usinas o ingenio de azúcar, i ndustrias celulosa y papel. Características de las bombas rotodinamicas 1-Bombas centrifugas Son aquellos en que la energía proveído al fluido o al líquido es inicialmente en forma de energía cinética, siendo posteriormente en gran parte convertida en energía de presión. La conversión de la gran parte de energía cinética en energía en presión es realizada a través del líquido que sale del rodete y luego pasa en un conducto de área creciente. (Carcasa de la bomba). La energía cinética puede tener origen puramente centrifuga o de arrastre o la combinación de ambas depende de la forma del rotor. Bombas centrífugas radiales (puras) En las bombas centrífugas radiales toda la energía cinética es obtenida a través del desarrollo de fuerzas puramente centrifugas, debido a la rotación de un rotor de características especiales. La dirección de salida del líquido es normal al eje. Por eso también son llamadas de centrifugas puras.
6 Comparación entre bombas volumétricas y rotodinamicas En todas las bombas volumétricas hay una proporcionalidad constante entre la expulsión y la velocidad de la bomba. Es evidente porque la descarga es proporcional a la velocidad del órgano mecánico que impulsa al líquido, que a su vez es proporcional a la velocidad de la bomba. Además el caudal bombeado es prácticamente independiente de la altura o presión a ser vencida. En las dinámicas el caudal bombeado depende de las características del proyecto de la bomba, rotación y de las características del sistema. En las bombas volumétricas el movimiento del liquido dentro de la bomba y el movimiento del órgano impulsor (pistón, embolo) son exactamente los mismos, misma velocidad, grandeza, dirección y sentido. En las turbobombas los movimientos del liquido y del órgano están relacionados entre sí no son absolutamente iguales. En las bombas volumétricas el órgano mecánico transmite energía al fluido en forma exclusivamente de presión, en las dinámicas la energía es transmitida al fluido por el órgano mecánico (rodete)en forma de energía cinética y de presión, o sea tienen aumento de presión y de velocidad. Las bombas de desplazamiento positivo pueden iniciar su funcionamiento con la presencia de aire en su interior. Las turbobombas el inicio del funcionamiento debe ser sin la presencia de aire en la bomba y en el sistema de succión, o sea la bomba y la tubería de succión debe estar llena de liquido. Las bombas alternativas, tienen caudal de bombeo variable con el ti empo. Las bombas rotativas y turbobombas, el caudal de b ombeo es constante con el tiempo. Principio de funcionamiento de las bombas centrifugas Antes de explicar el principio de funcionamiento, examinemos las partes fundamentales que son: El rotor: Rodete o impulsor que contiene esencialmente los alabes o paletas que impulsan el liquido. La cubierta: O Carcasa que rodea al impulsor, contiene al líquido sirviendo de involucro global. Antes de iniciar el funcionamiento de la bomba es necesario que la cubierta contenga liquido o fluido, por tanto el impulsor o rodete está sumergido en el liquido. El funcionamiento se basa prácticamente en la creación de una zona de baja presión y una de alta presión. La creación de la zona de baja presión proviene del liquido, que recibe energía de movimiento a través de los alabes del impulsor, el liquido queda sujeto a la fuerza centrifuga que hace que las partículas del liquido se desplacen en dirección de la periférica del impulsor, este desplazamiento ocasiona la creación de un vacío (baja presión) en l a región central, este vacío será ocupada por igual cantidad de volumen del liquido proveniente de la fuente. Luego la primera condición de funcionamiento es de tener un flujo permanente (régimen permanente) La creación de la zona de alta presión en zona periférica (puntas) es debido al que el fluido sobre acción de la fuerza centrifuga, va encontrando un aumento progresivo del área de la carcasa que será causante de la caída de la velocidad y aumento de la presión (principio de Bernoulli).La alta presión es el responsable por la posibilidad de transportar el fluido, obedeciendo las condiciones finales del proceso. Resumidamente se puede decir que el rodete
7 provee energía al fluido, siendo enseguida, parte de la energía cinética transformada en energía de presión debido al aumento progresivo del área de la carcasa. Este aumento progresivo del área de la cubierta es obtenido de dos formas: Utilizando la carcasa o cubierta en voluta con región difusora. Utilizando la carcasa con paleta difusoras.
8 Desempeño de una bomba centrifuga Curva Carga x caudal: H x Q Puede ser definida como energía por unidad de peso que la bomba tiene condiciones de proveer al fluido para un determinado caudal. Unidades (m, ft, In) Tipos de curvas de Hx Q a) Curva Inclinada (Rising) La carga aumenta continuamente con la diminución del caudal.
9 b) Curva ascendente / descendiente (Drooping) La carga en el caudal cero es menor que la desarrollada por otros caudales
c) Curva Altamente descendiente (Steep) Es una curva inclinada en que existe una gran diferencia entre la carga desarrollada en el caudal cero (Shutoff) y el caudal del proyecto (ηmax)
10 d) Curva plana (Flat) En esta curva la carga varia muy poco con el caudal.
Las curvas tipo estables son las curvas a, c, d Las estables son aquellas en que para un determinado H solo se tiene un caudal. Curvas tipo inestable son las curvas b Son aquellas donde para un determinado H puede corresponder dos o más caudales. Curvas de potencia absorbida versus caudal La potencia absorbida es la potencia requerida por el accionador (motor, mci.entre otros) Por tanto es importante resaltar que tenemos 2 potencias: Potencia útil comunicada al fluido y la potencia absorbida por la bomba.
11 1-Potencia útil conferida o comunicada al fluido: Es la potencia dada por el impulsor de la bomba al fluido. Es dada por la siguiente ecuación:
Wu = γ.Q.H/ 75
(cv)
Tal que: Wu potencia útil en (cv) γ es el peso especifico del fluido (kgf/m^3) Q es el caudal (m^3/s) H es la altura manométrica (m) Alternativamente en otras unidades Wu = Q.H.d / 3960 (HP) Donde: Q caudal en gpm H altura manométrica en ft d Es la densidad del fluido en
Wu = γ.Q.H / 550 ( HP) Donde: Q en ( ft^3/s) H en m γ en (lbf/ft^3)
2-Potencia absorbida por la bomba Es la potencia que la bomba recibe del accionador o absorbe del accionador (motor, MCI, turbina, ect).
Wabs= = γ.Q.H/ 75 η (cv) Donde: Q Es el caudal en (m^3/s)
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γ el el peso especifico del fluido en (kgf/m3)
H es la altura manométrica en mca
η es el rendimiento total de la bomba (%)
En otra unidad se tiene:
Wabs = γ.Q.H/ 550 η (HP)
Donde Q Es el caudal en (ft³/s)
γ el peso especifico del fluido en (lbf/ft³)
H es la altura manométrica en pies (ft)
η es el rendimiento total de la bomba (%)
Tal que el rendimiento total es dado por: η = ηh .ηv. ηm Alternativamente:
η=Wu / Wabs
13 Curva rendimiento total versus caudal η
Curva Potencia Absorbida versus caudal
Forma de Presentación de las curvas características M³/h 2
3
5
8
10
L/h
2000 3000 5000 8000 10000
H
30
20
18
13
10
14 H
35
25
20
15
12
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Altura manométrica del sistema La energía por unidad de peso que el sistema pide a la bomba para cada caudal es función de la altura estática, de la diferencia de presión entre la succión y la descarga, perdidas de carga o energía existente en el circuito. Entonces para un determinado caudal la bomba debe proveer una carga suficiente al fluido para compensar: -La altura geométrica (h) -La diferencia de presiones (Pd – Ps) - Las pérdidas en la succión e impulsión.
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La altura manométrica es calculada mediante la ecuación: H = hd – hs es la altura manométrica total Donde: hd -- Altura manométrica de impulsión o descarga o también la cantidad de energía por unidad de peso que debe existir en la brida de descarga de la bomba (punto 2) para que el fluido alcance el reservorio. hs -> Altura manométrica de succión o la cantidad de energía por unidad de peso existente en la succión de la bomba (punto 1)
Unidades de la altura manométrica: H (kgf.m/kgf))-H (m) y H (ft)
Calculo de la altura manométrica de succión hs Como hs representa la energía por unidad de peso existente en la brida de succcion.Se puede calcular primeramente aplicando el teorema de bernoulli entre un punto tomado en la superficie libre del reservorio de succión y la brida de succión de la bomba.
hs = (Energía por unidad de peso en el punto de succión – perdidas en la línea de succión para el caudal considerado)
17 Donde:
hs = Zs + Ps/γ - hfs
Zs es la altura estática de succión Ps es la presión en el reservorio de succión hfs es la perdida de carga total entre el reservorio y la entrada en la bomba o línea de succión. Análogamente se puede medir la energía por unidad de peso existente en la brida de succión entonces la altura manométrica de succión es dada por:
hs = Pb / γ + Vb² / 2 g Tal que Pb es la presión manométrica medida en la succión de la bomba Vb es la velocidad en la brida de succión.
O aplicando conservación de masa se tiene: Q = AVb ----Vb = 4 Q / PI.Ds² tal que Q es el caudal de la bomba.
Reservorio de succión por debajo de la línea de succión de la bomba
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hs = - Zs – hfs hs = - (Zs + hfs)
hs = Pb / γ + Vb² / 2 g Calculo de la altura manométrica de impulsión De la misma forma aplicando el teorema de bernoulli entre la brida de descarga y el punto final de descarga se tiene:
hd = (Energía por unidad de peso en el punto de descarga + perdidas de carga en la línea de descarga o impulsión)
hd = Zd + Pd / γ + hfd
hd = Pc / γ + Vc² / 2g
Cálculos de altura de impulsión Reservorio de llegada presurizado
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hd = Zd + Pd / γ + hfd hd = Pc / γ + Vc² / 2g
Reservorio de Descarga abierta a la atmósfera
hd = Zd + hfd hd = Pc / γ + Vc² / 2g
20 Calculo de la altura manométrica total
La altura manométrica total del sistema es dada por H = hd – hs Considerando el sistema de bombeo mostrado se tiene: hd = Zd + Pd/γ + hfd es la altura manométrica de descar ga o de impulsión hs = Zs + Ps / γ – hfs es la altura manométrica de succión Entonces sustituyendo se tiene: H = = Zd + Pd/γ + hfd - (Zs + Ps / γ – hfs ) H = ( Zd – Zs ) + (Pd – Ps) / γ + ( hfd + hfs ) O alternativamente se tiene : H = hc – hb H = ( Pc – Pb) / γ + ( V² c – V² b ) / 2g
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