Autor: Moisés Zamora González Profesor: Antonio Manuel González Marrero Asignatura: Sistemas Auxiliares del Buque En Santa Santa Cruz de Tenerife Tenerife a 21 de Abril del 2014
Índice: -Introducción. -Tipos, características técnicas. -Funcionamiento. -Características. -Arranque de una Bomba. -Cálculo del Punto de Funcionamiento. -Curvas Características.
Introducción: Para el transporte de líquidos desde un recipiente a otro a través de una red de tuberías se utiliza generalmente algún tipo de bomba mecánica. La energía consumida por una bomba es una función; de la altura a través de la cual se eleva el fluido, de la presión que se requiere en la descarga del fluido, de las características de la tubería (longitud, diámetro y rugosidad relativa), de la velocidad del flujo, así como de las propiedades físicas del fluido, como s on la densidad y la viscosidad. Entre las aplicaciones de bombeo de líquidos en la industria de la ingeniería química, se pueden mencionar, el transporte de diferentes líquidos como por ejemplo: agua, ácidos o productos derivados del petróleo, como benceno o nafta, desde los tanques de almacenamiento hasta las unidades procesos. El fluido a transportar puede ser un líquido de baja viscosidad o muy viscoso. Puede ser un líquido limpio o contener partículas en suspensión o ser muy corrosivo. Todos estos factores influyen en la elección de una bomba. Debido a la amplia variedad de necesidades, se encuentran en la actualidad diferentes tipos de bombas entre las cuales se distinguen:
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En este documento estudiaremos las Bombas Dinámicas Centrífugas. Las
bombas
cinéticas,
como
las
centrifugas, son aquellas en que se aplica energía al fluido que se bombea con un impulsor que gira en un eje. La energía cinética aplicada al fluido por el impulsor se convierte en energía de presión cuando el líquido sale del impulsor y avanza a lo largo de la voluta o carcaza. El elemento rotativo de una bomba centrifuga se denomina rodete o impulsor. La forma del impulsor puede forzar al fluido a salir en un plano perpendicular a su eje y recibe el nombre de bomba centrifuga de flujo radial, puede dar al fluido una velocidad con componentes tanto axial como radial y se conoce como de flujo mixto o puede inducir al flujo en espiral según la dirección del eje, bomba centrifuga de flujo axial. Existen bombas centrifugas de una y varias etapas. En las bombas de una etapa se pueden alcanzar presiones de hasta 5 atm, en las de varias etapas se pueden alcanzar hasta 25 atm de presión, dependiendo del número de etapas
Tipos:
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Las bombas centrifugas sirven para el transporte de líquidos que contengan sólidos en suspensión, pero poco viscosos. Su caudal es constante y elevado, tienen bajo mantenimiento. Este tipo de bombas presentan un rendimiento elevado para un intervalo pequeño de caudal pero su rendimiento es bajo cuando transportan líquidos viscosos. Este tipo de bombas son las usadas en la industria química, siempre que no se manejen fluidos muy viscosos. Dependiendo del tipo de impulsor, las bombas centrifugas se clasifican en: Bomba Centrífuga de Flujo Radial, Axial y Mixto.
Bombas Centrífugas de Flujo Radial: Las bombas centrifugas de flujo radial se utilizan para cargas altas y caudales pequeños, sus impulsores son por lo general angostos. El flujo es radial y la presión desarrollada es debida principalmente a la fuerza centrífuga. Este rodete envía por una fuerza centrífuga, el flujo del fluido en dirección radial hacia la periferia de aquel. La carga de velocidad es convertida a carga de presión en la descarga de la bomba. Por lo general, los alabes (aletas) de estos rodetes están curvados hacia atrás. El rodete radial ha sido el tipo más comúnmente usado. En la figura se muestran los 3 tipos de impulsores que se presentan en una bomba centrifuga radial. Estos impulsores son de baja velocidad específica, concepto que se desarrollará más adelante, y manejan líquidos limpios, sin sólidos en suspensión.
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Bomba Centrífuga de Flujo Axial: Estas bombas se utilizan para cargas pequeñas y grandes
caudales,
tienen
impulsores
tipo
propela, de flujo completamente axial. Estos impulsores
son
específica
y
los este
de tipo
mayor de
velocidad
bombas
es
especialmente adecuado para drenaje en ciudades. Casi toda la carga producida por este rodete es debida a la acción de empuje de las aletas. El fluido entra y sale del rodete en dirección axial o casi axial.
Bomba Centrífuga de Flujo Mixto: Estas bombas se utilizan para cargas y caudales intermedios. El impulsor es más ancho que los de flujo radial y los alabes adquieren una doble curvatura, torciéndose en el extremo de la succión. La velocidad específica en este tipo de impulsores va aumentando y manejan líquidos con sólidos en suspensión. La carga se desarrolla con un rodete delgado, en parte por fuerza centrífuga y en parte por el empuje de las aletas. Esto se consigue construyendo aletas de curva doble o en forma de hélice, de tal forma que la descarga es una combinación de flujo axial y radial. Los cambios de las características de los rodetes tipo radial con respecto a los de tipo axial son, respectivamente, de carga grande y flujo moderado a flujo extremadamente grande y carga baja.
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Funcionamiento: Las bombas centrífugas convencionales no son capaces de iniciar la operación si no están llenas de líquido y en su lugar hay aire dentro de la carcasa, siendo necesario ?cebarlas? o llenarlas de líquido antes de ponerlas a funcionar. El cebado se puede realizar permitiendo el paso de líquido desde un tanque auxiliar de cebado o empleando una bomba manual conectada a la tubería de succión. Las bombas autocebantes presentan una modificación en el diseño de la voluta que les permite mantener una cantidad de líquido dentro de la carcasa cuando se encuentran apagadas y eliminar el aire presente en la carcasa cuando se inicia su operación El movimiento rotatorio del impulsor empuja el líquido en forma radial hacia la voluta, reduciendo la presión en el ojo, generando la fuerza impulsora que empuja al fluido desde el tubo de succión hacia la bomba. El líquido ingresa a través de la succión directamente al ojo del impulsor donde recibe la fuerza centrífuga generada por la rotación del mismo y la energía cinética que le imprimen las aspas. El líquido se dirige hacia la periferia del impulsor con una velocidad tangencial ascendente y una elevada energía cinética. En la voluta, el fluido sufre una reducción gradual de su velocidad en la medida que aumenta el área de flujo, transformándose la energía cinética en energía o cabeza de presión. Finalmente, el líquido es expulsado por la descarga a una mayor presión que en la succión. Una bomba centrífuga se debe seleccionar buscando que el punto normal de operación esté cerca del máximo de la curva de eficiencia, que debe estar en un intervalo del 60% al 80%. El cambio del punto de operación implicará igualmente un cambio en la cabeza desarrollada y una reducción de la eficiencia.
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Las bombas centrífugas funcionan estrictamente dentro de los puntos señalados por la curva característica de carga vs. capacidad, por lo tanto si se quiere trabajar en unas condiciones específicas se debe tener en cuenta que el sistema de bombeo sólo se podrá operar en las condiciones o puntos ubicados bajo dicha curva, siendo necesario controlar la descarga a través de una válvula ubicada en la tubería de salida. El uso de una válvula de control en la descarga de la bomba implica pérdidas energéticas ya que en este punto se estará disipando la energía en exceso entregada por la bomba; por ello cuando se opera con capacidades variables se opta por el uso de alimentadores de velocidad variable que ajustan la frecuencia de la alimentación eléctrica del motor corriente alterna, disminuyendo así su velocidad.
Características Las bombas centrífugas se suelen definir por las cuatro características siguientes: - Capacidad o cantidad de fluido descargado en la unidad de tiempo. - Aumento de presión designado comúnmente con el término de carga (que es la energía proporcionada al fluido por unidad de masa, y se obtiene dividiendo el aumento de presión por el peso específico del fluido). - Potencia que es la energía consumida por la máquina en la unidad de tiempo. - El rendimiento es energía cedida al fluido, dividida por la energía total absorbida por la máquina. El efecto conseguido por la mayoría de los dispositivos de bombeo es el de aumentar la presión del fluido
Arranque de una Bomba: Para poner en marcha una bomba centrífuga hay que tener presente las siguientes consideraciones: a) Comprobar todos los purgadores, bridas, líneas, etc., asegurándose de que no se ha olvidado ninguna junta ciega.
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b) Si la bomba está recién instalada, comprobar que puede girar sin dificultad rodándola a mano. Comprobar que el sentido de rotación del motor es el correcto. c) Comprobar la lubricación de los cojinetes y demás partes móviles. d) Comprobar los cierres líquidos. e) Cerrar la válvula de impulsión, abrir la de aspiración plenamente y llenar de líquido la carcasa. Púrguese el aire o vapor por el purgador situado en la parte más alta de la carcasa. Si el líquido que vamos a bombear es caliente déjesele fluir hasta que caliente la carcasa. f) Si la bomba está accionada por una turbina, hay que purgar la línea de vapor a través de la misma con el fin de calentarla y eliminar condensados. Asegurarse que la válvula de vapor de escape está abierta. Comprobar asimismo la lubricación. g) Poner en marcha la bomba hasta alcanzar la presión normal y abrir entonces la válvula de impulsión lentamente y asegurarse que la presión se mantiene en su valor. Hay que tener en cuenta que si se abre demasiado rápidamente la válvula de impulsión, se puede originar una pulsación repentina con la pérdida de la succión.
Cálculo del Punto de Funcionamiento: El régimen de trabajo de una bomba centrífuga se determina, siempre, por el punto de intersección de las características de la bomba y de la tubería, y por eso, al ser la característica de la conducción (tubería) invariable, salvo que se actúe sobre la válvula de impulsión, el cambio del número de revoluciones de la bomba provocará el desplazamiento del punto de trabajo a lo largo de la característica de la tubería. Si ésta corta a una parábola de regímenes semejantes, al cambiar el número de revoluciones y pasar a otra curva característica, la
semejanza
se
conservará,
pudiéndose
considerar en este caso que el cambio del número de revoluciones de la bomba no alterará la semejanza de los regímenes de trabajo.
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Pero si por la tubería se trasiega el líquido de un nivel inferior a otro superior, la característica de la tubería tendrá la forma indicada en la figura 7.17, y el cambio de revoluciones de la bomba, de n 1 a n2, provocará el desplazamiento del punto de trabajo de A a B, que pertenecen a distintas parábolas de regímenes semejantes, alterándose así la semejanza de los regímenes. Como parece natural, las bombas centrífugas se construyen para que funcionen en condiciones de rendimiento máximo y, por lo tanto, en su elección parece lógico pensar que para una tubería de impulsión determinada, no sirva cualquier bomba, sino aquella que cumpla precisamente con la premisa de que su zona de máximo rendimiento, coincida con la inmediata al punto de funcionamiento.
Curvas Características: El comportamiento hidráulico de una bomba viene especificado en sus curvas características que representan una relación entre los distintos valores del caudal proporcionado por la misma con otros parámetros como la altura manométrica, el rendimiento hidráulico, la potencia requerida y la altura de aspiración, que están en función del tamaño, diseño y construcción de la bomba. Estas curvas, obtenidas experimentalmente en un banco de pruebas, son proporcionados por los fabricantes a una velocidad de rotación determinada (N). Se representan gráficamente, colocando en el eje de abcisas los caudales y en el eje de ordenadas las alturas, rendimientos, potencias y alturas de aspiración.
Curva altura manométrica-caudal. Curva H-Q.
Para determinar experimentalmente la relación H(Q) correspondiente a unas revoluciones (N) dadas, se ha de colocar un vacuómetro en la aspiración y un manómetro en la impulsión, o bien un manómetro diferencial acoplado a dichos puntos. En la tubería de impulsión, aguas abajo del manómetro, se instala una llave de paso que regula el caudal, que ha de ser aforado. La velocidad de rotación se puede medir con un tacómetro o con un estroboscopio. Con un accionamiento por motor de corriente alterna, dicha velocidad varía muy poco con la carga. La relación H(Q) tiene forma polinómica con las siguientes formas: H = a + b·Q + c·Q 2 H = a + c · Q2
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Las curvas características H-Q, típicas de los 3 grupos de bombas vienen indicadas en las siguientes figuras 7.13. La curva que se obtiene corta el eje (Q = 0) en un punto en el que la bomba funciona como agitador, elevando un caudal nulo. Esta situación se consigue cerrando totalmente la llave de paso en el origen de la tubería de impulsión. El llamado caudal a boca llena es el que corresponde a H=0, dando un caudal máximo.
a)
b)
c)
Figura 7.13. Curvas características de tres tipos de bombas hidráulicas. a) Bomba radial centrífuga; b) Bomba helicocentrífuga; c) Bomba de hélice
Curva rendimiento-caudal.
El rendimiento de la bomba o rendimiento global es la relación entre la potencia útil o hidráulico y la potencia al freno. Este es, en general, suministrado por los constructores de la bomba, y considera las pérdidas por fugas (rendimiento volumétrico) y por rozamientos en ejes y caras del impulsor (rendimiento mecánico).
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La curva característica rendimiento-caudal para tres tipos de bombas distintas la podemos ver en la figura 7.13. En general la curva del rendimiento
podrá ajustarse a una expresión del
tipo:
El rendimiento es nulo para un caudal nulo y para un caudal máximo. Entre ambos el rendimiento varía, alcanzando el máximo en un punto correspondiente a un cierto caudal, llamado caudal nominal de la bomba, que es aquel para el cual ha sido diseñada la bomba.
Curva potencia-caudal.
En la teoría, la potencia suministrada por el eje del impulsor es: Ph = potencia hidráulica En la práctica, las pérdidas por rozamiento hidráulico, mecánico y las posibles fugas dan lugar a que la potencia al freno P absorbida al motor por el eje de la bomba difiere de Ph. Su valor se obtiene en laboratorio mediante un dinamómetro o freno, aplicando la relación: P=T·N Siendo T el par resistente de la bomba, el cual es el producto de [F x r] donde r es el brazo donde se aplica la fuerza tangencial F. N es el número de revoluciones o vueltas en la unidad de tiempo, o velocidad angular. La relación entre la potencia hidráulica (P salida) y la potencia al freno (P entrada) mide el rendimiento global. Se determina a partir de la ecuación:
La potencia absorbida por el eje de la bomba o potencia al freno es la potencia que necesita la bomba para realizar una determinada cantidad de trabajo. Es igual a la potencia hidráulica o potencia que necesita la bomba para elevar el agua, más la potencia consumida en rozamientos, y viene determinada por la fórmula:
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Donde: P = potencia bomba (w) = peso específico (N/m3) Q = caudal (m3/s) H = altura manométrica total (m) = rendimiento de la bomba (º/ 1). También se puede utilizar la siguiente expresión para Potencias expresadas en C.V.
Donde: P = potencia bomba (C.V.) Q = caudal (l/s) H = altura manométrica total (m) = rendimiento de la bomba (º/ 1). Para cada posición de la llave de regulación del caudal, se determinará la potencia P, con lo que la curva característica P (Q) queda determinada con la figura 7.13. La potencia absorbida por la bomba es la que tiene que suministrar el motor (eléctrico o combustión o hidráulico) por el rendimiento de dicho motor (η m).
Curvas carga neta positiva de aspiración requerida (NPSH r)-Caudal.
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Figura 7.14. Curvas NPSHr - Q, de 4 bombas iguales pero con distinto diámetro de rodete
La NPSHr en una bomba a velocidad constante aumenta con el caudal como se muestra en la figura 7.14. Este tipo de curva se estudiará detalladamente en el punto 9 de este tema. En la figura 7.15 se representa las curvas de igual rendimiento en el diagrama AlturaCaudal para distintas velocidades de giro del rotor. Este gráfico, por tanto, nos suministrará información de velocidad rotación, caudal, altura y rendimiento. Por ejemplo, para obtener un caudal de 100 l/s a una altura manométrica de 30 m se requiere una velocidad de 850 r.p.m. y se obtiene un rendimiento del 70 %, figura 7.15 D).
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