INSTITUTO TECNOLOGICO DE SALINA CRUZ
MATERIA: Maquinas de fluidos incompresibles
INVESTIGACION: BOMBAS ROTODINAMICAS
PROFESOR: Ing. Juan Manuel Cruz Martinez
ALUMNO: Víctor David Muñoz Francisco
SEMESTRE: VII GRUPO: 7 B1 SALINA CRUZ OAXACA A 19 DE NOVIEMBRE DEL 2013
INTRODUCCIÓN Una bomba es una máquina hidráulica generadora que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud. Existe una ambigüedad en la utilización del término bomba, ya que generalmente es utilizado para referirse a las máquinas de fluido que transfieren energía, o bombean fluidos incompresibles, y por lo tanto no alteran la densidad de su fluido de trabajo, a diferencia de otras máquinas como lo son los compresores, cuyo campo de aplicación es la neumática y no la hidráulica. Pero también es común encontrar el término bomba para referirse a máquinas que bombean otro tipo de fluidos, así como lo son las bombas de vacío o las bombas de aire Las bombas se clasifican en tres tipos principales: •De émbolo alternativo. •De émbolo rotativo. •Rotodinámicas.
Los dos primeros operan sobre el principio de desplazamiento positivo, es decir, que bombean una determinada cantidad de fluido (sin tener en cuenta las fugas independientemente de la altura de bombeo). El tercer tipo debe su nombre a un elemento rotativo, llamado rodete, que comunica velocidad al líquido y genera presión. La carcaza exterior, el eje y el motor completan la unidad de bombeo. En su forma usual, la bomba de émbolo alternativo consiste en un pistón que tiene un movimiento de vaivén dentro de un cilindro. Un adecuado juego de válvulas permite que el líquido sea aspirado en una embolada y lanzado a la turbina de impulsión en la siguiente. En consecuencia, el caudal será intermitente a menos que se instalen recipientes de aireo un número suficiente de cilindros para uniformar el flujo. Aunque las bombas de émbolo alternativo han sido separadas en la mayoría de los campos de aplicación por las bombas rotodinámicas, mucho más adaptables, todavía se emplean ventajosamente en muchas operaciones industriales especiales.
Las bombas de émbolo rotativo generan presión por medio de engranajes o rotores muy ajustados que impulsan periféricamente al líquido dentro de la carcasa cerrada. La bomba rotodinámica es capaz de satisfacer la mayoría de las necesidades de la ingeniería y su uso está muy extendido.
Su campo de utilización abarca desde abastecimientos públicos de agua, drenajes y regadíos, hasta transporte de hormigón o pulpas.
CARACTERÍSTICAS GENERALES Y FUNCIONAMIENTO Bombas rotodinámicas, en las que el principio de funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre la máquina y el fluido, aplicando la hidrodinámica. En este tipo de bombas hay uno o varios rodetes con álabes que giran generando un campo de presiones en el fluido. En este tipo de máquinas el flujo del fluido es continuo. Estas turbomáquinas hidráulicas generadoras pueden subdividirse en: * Radiales o centrífugas, cuando el movimiento del fluido sigue una trayectoria perpendicular al eje del rodete impulsor. * Axiales, cuando el fluido pasa por los canales de los álabes siguiendo una trayectoria contenida en un cilindro. * Diagonales o helicocentrífugas cuando la trayectoria del fluido se realiza en otra dirección entre las anteriores, es decir, en un cono coaxial con el eje del rodete.
Tipos de bombas Centrífugos. Son el tipo más corriente de bombas rotodinámicas, y se denomina así porque la cota de presión que crean es ampliamente atribuible a la acción centrífuga. El rodete consiste en cierto número de álabes curvados en dirección contraria al movimiento y colocados entre dos discos metálicos. El agua entra por el centro u ojo del rodete y es arrastrada por los álabes y lanzada en dirección radial. Esta aceleración produce un apreciable aumento de energía de presión y cinética. A la salida, el movimiento del fluido tiene componentes radial y transversal. Para que no haya una pérdida notable de energía, y por tanto de rendimiento, es esencial transformar en la mayor medida posible la considerable cota cinemática a la salida del rodete en la más útil cota de presión. Normalmente, esto se consigue construyendo la carcasa en forma de espiral, con lo que la sección del flujo en la periferia del rodete va aumentando gradualmente. Para caudales grandes se usa el rodete de doble aspiración, que es equivalente a dos rodetes de simple aspiración ensamblados dorso con dorso; esta disposición permite doblar la capacidad sin aumentar el diámetro del rodete.
Es más cara de fabricar, pero tiene la ventaja adicional de solucionar el problema del empuje axial. En ambos casos, las superficies de guía están cuidadosamente pulimentadas para minimizar las pérdidas por rozamiento. El montaje es generalmente horizontal, ya que así se facilita el acceso para el entretenimiento. Sin embargo, debido a la limitación del espacio, algunas unidades de gran tamaño se montan verticalmente. Las proporciones de los rodetes varían dentro de un campo muy amplio, lo que permite hacer frente a una dilatada gama de condiciones de funcionamiento. Por ejemplo, los líquidos con sólidos en suspensión (aguas residuales) pueden ser bombeados siempre que los conductos sean suficientemente amplios. Inevitablemente habrá alguna disminución de rendimiento. Para que la bomba centrífuga esté en disposición de funcionar satisfactoriamente, tanto la tubería de aspiración como la bomba misma, han de estar llenas de agua. Si la bomba se encuentra a un nivel inferior a la del agua del pozo de aspiración, siempre se cumplirá esta condición, pero en los demás casos hay que expulsar el aire de la tubería de aspiración y de la bomba y reemplazarlo por agua; esta operación se denomina cebado. El mero giro del rodete, aún a alta velocidad, resulta completamente insuficiente para efectuar el cebado y sólo se conseguirá recalentar los cojinetes. Los dos métodos principales de cebado exigen una válvula de retención en la proximidad de la base del tubo de aspiración, o en las unidades mayores, la ayuda de una bomba de vacío. En el primer caso, se hace entrar el agua de la tubería de impulsión o de cualquier otra procedencia, en el cuerpo de bomba y el aire es expulsado por una llave de purga. Bomba del tipo Centrifuga Se ha desarrollado una bomba centrífuga, la cual fue concebida, teniendo como objetivos un rendimiento de trabajo que sea óptimo, una gran variedad de aplicaciones y una fácil Mantención del equipo. El cuerpo húmedo de esta bomba, está fabricado en un polímero de grandes cualidades mecánicas y de excelente resistencia química. Estos materiales evitan las incrustaciones de partículas, y además no son afectados por problemas de cavitación.
Elementos de una bomba centrifuga
Elemento conductor
ALTURA UTIL Se definen como altura útil de una bomba el llevado al ascenso vertical e que experimenta la superficie sobre el líquido, sea, del peso del agua hasta el depósito de almacenamiento. Se designe a la altura humanamente que ha de una a bomba elevadora es la suma de la altura útil más las pérdidas de carga producidas en las cañerías de aspiración y de elevación Está indicada por:
La altura teórica Hu que imparte el rodete menos las pérdidas en el interior de la bomba. Según la ecuación de Bernoulli en las secciones S y E se tiene:
La altura útil es la diferencia de alturas totales entre la salida y la entrada de la bomba. Esta diferencia es incremento de la altura comunicada, por la bomba al fluido. Por lo tanto la altura útil Hu, es igual al incremento de la altura de presión +incremento de la altura geodésica + incremento de la atura dinámica.
En el mismo sentido que la altura útil Hu, la energía útil Yu, será el incremento de la energía de presión que experimenta el fluido en la bomba + el incremento de la energía geodésica + el incremento de la energía dinámica. El término zs –ze suele ser muy pequeño, o incluso igual a 0 en las bombas de eje vertical.
El término suele ser también muy pequeño o igual a 0: positivo, aunque pequeño si el diámetro dela tubería de aspiración se hace mayor que el de la tubería de impulsión, para evitar la cavitación, igual a 0 si DE=DS. En la mayoría de los casos:
MS= Lectura del manómetro a la salida; el signo + suma delos valores absolutos de las lecturas; por que la presión a la entrada es negativa vacuómetro. ME= Lectura del manómetro a la entrada.
Las ecuaciones son muy sencillas y dan una buena aproximación del valor de H. No se debe utilizar sin ver si cumplen con aproximación las hipótesis en que su funda. Si por ejemplo el eje de la bomba está en una cota inferior al nivel del depósito de aspiración; o sea bomba no instalada en aspiración sino en carga. Entonces ME marca una presión positiva, entonces el término MS + ME, se cambia por menos. Con la primera expresión de altura, H, mira a la bomba misma y sirve para calcular H, cuando la bomba está en funcionamiento, leyendo ME y MS y midiendo el caudal para calcular velocidades. Con la segunda expresión se realiza, los estudios previos para la selección de la bomba como se verá en el siguiente apartado. Con la segunda expresión de H, se mira la instalación y sirve para calcular H, estudiando el proyecto mismo de la instalación, con miras a encargar la bomba que más se adecue para cubrir las demandas de Q, H, Hr, etc. de dicha instalación. La característica más importante es quizá el hecho de que la bomba no está en funcionamiento. Deducción: Tomando la ecuación de Bernoulli, en las secciones A y Z de la fig. Se tiene que:
En el caso de la figura 10 Pz= PA = 0; pero si el depósito de aspiración o impulsión no están no están a la presión atmosférica, esto no se cumple. Las áreas del pozo de aspiración y el depósito de impulsión son lo suficientemente grandes para que
puedan despreciarse; tendremos entonces:
Luego por otro lado se tiene que:
Donde: Hr-ext : pérdida total en el exterior de la bomba. Hra: pérdida en la aspiración (entre los puntos A y E) Hri: pérdida en la tubería de impulsión
PERDIDAS POTENCIA Y RENDIMIENTO Las pérdidas de la bomba entre los puntos E y S (ver fig.) se clasifican en 3 grupos a saber. -Pérdidas hidráulicas. -Pérdidas volumétricas -Pérdidas mecánicas
Pérdidas hidráulicas.
Se caracterizan por que disminuyen la energía específica útil, que la bomba comunica al fluido, y como consecuencia también la altura útil. Son de 2 clases Pérdidas de superficie y pérdidas de forma. -Perdidas de superficie: son producto de rozamiento del fluido con las paredes de
la bomba, (rodete, corona directriz, etc) o de las partículas del fluido entre sí. -Perdidas de forma: son una consecuencia del desprendimiento dela capa limite
en los cambios de dirección y en toda la forma difícil al flujo en particular a la entrada del rodete si la tangente del álabe no coincide con la dirección de la velocidad relativa a la entrada, o a la salida del rodete si la tangente del álabe de la corona directriz no coincide exactamente con la velocidad absoluta a la salida. Las pérdidas hidráulicas se originan en:
Entre el punto E ver fig. La entrada del rodete.
En el rodete.
En la corona directriz si existe.
En la caja espiral.
Desde la salida de la salida de la caja espiral hasta la salida dela bomba, o punto S.
Pérdidas volumétricas
Se les llama también de pérdidas intersticiales, son pérdidas de caudal si dividen en dos: pérdidas exteriores qe y pérdidas interiores qi. En la fig. Se representan las pérdidas volumétricas.
Pérdidas volumétricas exteriores qe.
Constituyen una salpicadura de fluido exterior, que se escapa por el juego en la entre la carcasa y el eje de la bomba, que la atraviesa. Para reducirlas se utiliza la caja de empaquetadura, que se llena de estopa o material de cierre, provista de su correspondiente tapa o prensaestopas con pernos, que permite comprimiendo el prensaestopas contra el eje de la máquina mejorar el cierre. Esta presión no puede ser excesiva por que puede producir pérdidas mecánicas. El material de cierre muy usado es el amianto grafitado.
Pérdidas volumétricas interiores qi
Son consideradas las más importantes y reducen mucho el rendimiento de volumétrico de algunas bombas; aunque qe se haya reducido prácticamente a 0 por un prensaestopas de alta calidad. En la figura se ha indicado el lugar donde se produce. La explicación de estas pérdidas es como sigue: a la salida de un rodete de una bomba o un ventilador hay más presión que a la entrada. Luego por parte del fluido en vez de seguir por la caja espiral retrocederá, por el conducto que forma el juego del rodete con la carcasa, a la entrada del rodete, para volver a ser
impulsado por la bomba. Este caudal llamado caudal de cortocircuito, absorbe la energía del rodete. Pérdidas mecánicas
Las pérdidas mecánicas están formadas por
Rozamiento del prensaestopas con el eje de la máquina.
Rozamiento del eje con los cojinetes
Accionamiento de auxiliares (bomba de engranajes para lubricación, cuentarrevoluciones, etc.) Rozamiento de disco. Se llama así al rozamiento de la pared exterior del rodete con la atmosfera del fluido que lo rodea. Es decir el rodete prácticamente es un disco o mejor una caja en cuyo interior circula el fluido; pero en el exterior, o sea en el juego entre el rodete y la carcasa, inevitablemente penetra también el fluido: el disco no gira, pues, en el vacío si no en una atmosfera viscosa en la que se produce rozamiento que se incluye en las pérdidas mecánicas, y se denomina perdida por rozamiento de disco.
Como muestra la fig.
Potencias y rendimientos.
En las potencias y rendimientos para una turbomáquina se distinguen. Pa –Potencia de accionamiento = potencia absorbida = potencia al freno = potencia en el eje. Los cuatro nombres son usados en la práctica. Así un grupo
moto-bomba (motor eléctrico-bomba) Pa no es la potencia absorbida en la red si no la potencia libre en el eje (potencia absorbida de la red multiplicada por el rendimiento del motor eléctrico). Pi – Potencia interna: es la potencia suministrada al rodete, igual a la potencia de accionamiento menos las pérdidas mecánicas. P – Potencia útil: incremento de potencia que experimenta el fluido en la bomba. Las potencias tienen su respectivo equivalente, en potencia de pérdidas siguientes:
Potencia de accionamiento, Pa
Es la potencia en el eje de bomba o potencia mecánica que la bomba absorbe. Esta potencia según la mecánica tiene la siguiente expresión.
Potencia interna, Pi
Es la potencia total transmitida al fluido, o sea la potencia de accionamiento, descontando las pérdidas mecánicas:
Es fácil hallar una expresión hidráulica de Pi en función delas pérdidas llamadas internas, que son las pérdidas hidráulicas y las pérdidas volumétricas. Efectivamente, el rodete entrega al fluido una energía específica, equivalente a una altura Hu = H + Hr-int, y esta altura la entrega al caudal bombeado, por el rodete que es Q + qe + qi. Luego:
Potencia útil, P
Es la potencia de accionamiento descontado todas las pérdidas del a bomba o equivalentemente la potencia interna descontando todas y sólo las potencias internas (hidráulicas y volumétricas). Luego:
La potencia útil por otra parte será la invertida en impulsar el caudal útil Q a la altura útil H. Luego Rendimiento hidráulico
Tiene en cuenta todas y solo las pérdidas de altura total, Hr-int. Como según la ecuación
, el valor de
es:
Rendimiento volumétrico
Tuve en cuenta todas y sólo las pérdidas volumétricas, y su valor es:
Donde Q: caudal útil ó caudal efectivo impulsado por la bomba : caudal teórico o bombeado por el rodete.
CAVITACIÓN Y ALTURA DE SUCCION El la técnica son innumerables los problemas hidrodinámicos relacionados con la cavitación; este fenómeno, se puede presentar hasta en la circulación sanguínea, la cual puede conducir a enfermedades del corazón y de las arterias. La cavitación en las bombas (y en las turbinas) produce dos efectos perjudiciales como son disminución del rendimiento y erosión. La aparición de la cavitación está íntimamente ligado con a) con el tipo de bomba en especial cuando el número de
especifico de revoluciones, ns es mayor; b) con la instalación de la bomba o sea la altura de suspensión de la bomba, Hs o cota del eje de la bomba sobre el nivel del líquido en el depósito de aspiración, por lo tanto debe ser escogida cuidadosamente para evitar la cavitación, c) con las condiciones deservicio de la bomba ( el caudal de la bomba nunca debe exceder el máximo que sea permisible, para que nunca se produzca la cavitación). El NPSH necesario y altura de suspensión o aspiración, Hs, de una bomba.
Se llama altura de suspensión o aspiración al valor Hs = ZE – ZA, cota de entrada de la bomba sobre el nivel del depósito de espiración. Hs › 0 si el eje de la bomba está más elevado que el nivel del líquido (bomba en aspiración); Hs ‹ 0 si la entrada de la bomba está más baja que dicho nivel (bomba en carga). La altura total a la entrada de la bomba referida a la cota ZE Será:
En el interior de la bomba hasta que el líquido llegue al rodete que le comunica un incremento de altura, HE disminuirá a causa delas pérdidas; si además la corriente se acelera localmente y/o aumenta la altura geodésica, la presión pE disminuirá. Como esta presión debe mantenerse igual o mayor que la presión de saturación del líquido a la temperatura de bombeo para que no se produzca cavitación, la altura total disponible será:
La altura de aspiración disponible HEd se denomina en los países de habla inglesa NPSH y para evitar la cavitación se debe cumplir que:
Donde Δh se denomina la caída de presión en el interior de la bomba y la cavitación se iniciará cuando la HE alcance su valor mínimo: La cual será la altura necesaria de aspiración NPSH necesaria. Y se tienen las siguientes expresiones para poder determinarla.
Δh varía
con le punto de funcionamiento de la bomba. Generalmente interesa el Δh correspondiente a l caudal nominal de la bomba o caudal para el cual la bomba funciona con eficiencia total máxima. Aunque la evaluación teórica delta ha es hoy por hoy imposible, delta h puede calcularse experimentalmente con la ayuda de las ecuaciones.
LEYES DE SEMEJANZA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS La aplicación de las leyes de la semejanza en las máquinas hidráulicas nos permitirá obtener los parámetros de funcionamiento de una turbomáquina a partir de otra, con sólo imponer una serie de condiciones geométricas y de funcionamiento a ambas máquinas. Las aplicaciones que se derivan son de capital importancia en la industria ya que, por ejemplo, nos permitirán determinar las curvas de respuesta de una bomba cuando cambia su velocidad de rotación, obtener las características de una máquina semejante a otra pero de diferente tamaño y parametrizar el comportamiento de las máquinas ensayadas a través de ábacos adimensionales y diagramas universales. Existen tres tipos de semejanza en turbomáquinas: • Semejanza geométrica: El modelo y el protot ipo han de ser geométricamente
semejantes tanto en los elementos interiores como en los exteriores y auxiliares. Es una condición estricta que ha de cumplirse de forma precept iva donde λ es la constante de proporcionalidad.
• Semejanza cinemática: El modelo y el prototipo mantiene n una proporcionalidad
directa en los triángulos de velocidades en puntos de funcionamiento semejantes, y los ángulos iguales.
Puede demostrarse que sólo habrá un valor de Q que haga que ambos triángulos sean proporcionales. O si fijamos el caudal, sólo habrá un régimen de giro que haga que los triángulos sean proporcionales. Es decir, cumpliendo la semejanza geométrica, y fijando las velocidades de giro, para un punto de funcionamiento del prototipo, solo habrá un punto de funcionamiento del modelo que cumpla con la semejanza cinemática (proporcionalidad entre los triángulos de velocidades). A esos puntos se les llama puntos homólogos. • Semejanza dinámica: Para que se cumpla la semejanza dinámica, cuatro de los
cinco parámetros adimensionales fundamentales de la mecánica de fluidos (Eu, Re, St, Fr, Ma) han de ser iguales en el modelo y en el prototipo. ( el quinto será igual a la fuerza si lo son los cuatro restantes ). Solo estos dos números son significativos en las máquinas hidráulicas más corrientes. Y de estos sólo el número de Reynolds tiene una verdadera trascendencia. En resumen, un ensayo que cumpla con las condiciones de semejanza geométrica y cinemáticas y que además se conserve en número de Reynolds, se puede considerar como un ensayo en el que se cumplen las condiciones de SEMEJANZA ABSOLUTA. Cuando no se cumplir la condición de igualdad de Re, entre modelo y prototipo, tendremos que hablar de SEMEJANZA RESTRINGIDA. En general, podemos considerar que para puntos de funcionamiento homólogos, la diferencia en el número de Reynolds no tendrá una gran influencia en los rendimientos, y podremos considerar que ambos Re son iguales, dando pie a hacer uso de la Teoría de la Semejanza Absoluta. Si queremos ser más estrictos, o bien la diferencia en el número de Reynolds es muy grande, por ejemplo en turbinas, deberíamos acudir la Teoría de la Semejanza Restringida.
CONCLUSION Una bomba rotodinamica es un tipo de bomba que transforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio en energía cinética y potencial requerida. Aunque la fuerza centrífuga producida depende tanto de la velocidad en la periferia del impulsor como de la densidad del líquido, la energía que se aplica por unidad de masa del líquido es independiente de la densidad del líquido.
En este trabajo se ha ejemplificado las características generales su funcionamiento, altura útil, perdidas, potencia, rendimiento entre otras así como papel que cumplen en una bomba centrifuga o rotodinamica.
