HIDRAULICA BASICA SISTEMAS DE BOMBEO (UNIDAD 5) 5.1 DEFINICION Y CLASIFICACION DE UN EQUIPO DE BOMBEO Un equipo de bombeo consiste de dos elementos, una bomba y su accionador e l cual puede ser un motor eléctrico,' motor de combustión interna, etc. El accionador entrega energía mecánica y la bomba la convierte en energía cinética que un fluido adquiere en forma de presión, de posición y de velocidad. Las bombas se clasifican con base en una gran cantidad de c riterios, que van desde sus aplicaciones, materiales de construcción, hasta su configuración mecánica. Un criterio básico que incluye una clasificación general, es el que se basa en el principio por el cual se adiciona energía al fluido. Bajo este criterio las bombas pueden dividirse en dos grandes grupos; Dinámicas y de Desplazamiento positivo. a) Dinámicas. Bombas a las que se agrega energía continuamente, para incrementar la velocidad del fluido dentro de la bomba a valores mayores de los que existen en la succión, de manera que la subsecuente reducción de velocidad dentro ó más allá de la bomba, produce un incremento en la presión. b) De desplazamiento positivo. Bombas en las cuales se agrega energía periódicamente mediante la aplicación de fuerza a uno o más elementos móviles para desplazar un número deseado de volúmenes de fluido, lo que resulta en un incremento directo en la presión.
5.2 CURVAS DE FUNCIONAMIENTO Las curvas de actuación de las bombas dan información acerca de cómo se va a comportar el sistema de bombeo en función de ciertos parámetros. Es importante tenerlas en cuenta durante toda la vida operativa del sistema.
Curvas de caudal en función de la contrapresión Si se ignoran las pérdidas de carga el caudal en esta situación viene determinado por la altura H a la que se encuentra la descarga. Esta curva indica el caudal que se puede bombear dependiendo de la altura. En un sistema real se generan pérdidas de carga por la fricción con válvulas y codos, esta resistencia es conocida como contrapresión dinámica.
Curva de características del sistema La curva de características del sistema está basada en las pérdidas de carga por altura de presión estática y en la contrapresión dinámica. La curva de caudal en función de la contrapresión es la misma que la anterior y solo depende de la altura de bombeo. El punto en que se cruzan estas dos curvas es el punto de operación de la bomba.
Actuación con la bomba fuera del fluido Aparece la resistencia creada por la altura de la columna de líquido. NPSH “Net Positive Suction Head” es la altura positiva de succión neta, cuanto mayor sea este valor más trabajo costará bombear este fluido. Si la bomba está por encima de la columna del fluido y tiene que aspirar, la temperatura de evaporación del fluido decrece. El fluido puede llegar a evaporarse por vacío descebando la bomba, es decir haciéndola cavitar, por lo que las bombas deben montarse siempre lo más por debajo posible del tanque.
Curvas de actuación de las bombas en función del número de revoluciones El caudal de la bomba puede ajustarse ajustando el número de revoluciones, una reducción de la velocidad de rotación hace que la curva se mueva paralelamente reduciendo la altura de bombeo y el caudal.
Curva de actuación teniendo en cuenta el consumo La curva es de la misma manera que las anteriores solo que en este caso también se incluye la eficiencia en función del caudal y la altura de bombeo. Trazando una línea paralela al eje de coordenadas desde el máximo de la curva de eficiencia se encuentra la altura óptima de bombeo para el caudal deseado.
Operación en paralelo Las bombas centrífugas operando en paralelo aumentan la capacidad de bombeo del sistema ya que el caudal final bombeado es igual a la suma de la contribución de cada bomba. En el caso que se opere con alturas de presión o caudales muy variables esta disposición resulta interesante. Un adecuado control de la carga resulta en un consumo mínimo y por tanto en una operación eficiente. Los sistemas de bombeo en paralelo además contribuyen a aumentar la fiabilidad y mantenibilidad del sistema ya que en ciertas situaciones en que la altura o el caudal a vencer o bombear sean bajos podrá utilizarse solo una de las bombas, pudiendo ser revisada o reparada la bomba parada.
5.3 SELECCIÓN DE EQUIPOS DE BOMBEO Para seleccionar un equipo de bombeo se deberá tener un conocimiento completo del sistema en que trabajará la bomba y motor, caso contrario puede hacer una selección errónea que causará el mal funcionamiento de la bomba, lo que a su vez afectará a la eficiencia y eficac ia del sistema. Las bombas se eligen generalmente por uno de los tres métodos siguientes:
El cliente suministra detalles completos a uno ó más proveedores, de las condiciones de bombeo y pide una recomendación y oferta de las unidades que parezcan más apropiadas para la aplicación. El comprador efectúa un cálculo completo del sistema de bombeo procediendo a elegir la unidad más adecuada de catálogos y graficas de características. Una combinación de los anteriores métodos para llegar a la selección final. Para seleccionar equipos pequeños de bombeo, como los utilizados en el medio rural, es más conveniente adoptar uno de los dos últimos métodos. No es una práctica recomendable, dejar la selección de la bomba únicamente en manos del representante del proveedor, ya que su criterio será limitado debido a su conocimiento parcial del sistema en que trabajará la bomba (solo dispondrá de la información que se le proporcione). Contrariamente, cuando se pide una propuesta, es buena práctica proporcionar un diagrama completo del sistema en que trabajará el equipo al representante del proveedor, de esta manera sus técnicos pueden realizar sus propios cálculos y verificar los del cliente. Esta es una forma de asegurar una selección más exacta del equipo.
Pasos para la elección de una bomba Los pasos básicos para la elección de cualquier tipo de bomba son:
Elaborar un diagrama de la disposición de bomba y tuberías. Determinar el caudal de bombeo. Calcular la altura manométrica total. Estudiar las condiciones del líquido. Elegir la clase y tipo de bomba.
5.4 CALCULO DE FENOMENOS TRANSITORIOS 5.4.1 GOLPE DE ARIETE El golpe de ariete se origina debido a que el fluido es ligeramente elástico (aunque en diversas situaciones se puede considerar como un fluido no compresible). En consecuencia, c uando se cierra bruscamente una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. Esto origina una sobrepresión que puede llegar a romper la tubería, La energía cinética se transforma en energía de presión. Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería.
Cálculo del golpe de ariete Si el cierre o apertura de la válvula es brusco, es decir, si el tiempo de cierre es menor que el tiempo que tarda la onda en recorrer la tubería ida y vuelta, la sobrepresión máxima se calcula como
,
Donde:
es la velocidad de la onda (velocidad relativa respecto al fluido) de sobrepresión o depresión, es la velocidad media del fluido, en régimen, es la aceleración de la gravedad.
A su vez, la velocidad de la onda se calcula como:
Donde:
es el módulo elástico del fluido ó módulo de Bulk, es la densidad del fluido, es el módulo de elasticidad (módulo de Young) de la tubería que naturalmente depende del material de la misma, es el espesor de las paredes de la tubería, es el diámetro de la tubería.
Para el caso particular de tener agua como fluido:
Esta expresión se llega a la fórmula de Allievi:
Donde se introduce una variable (lambda) que depende del material de la tubería, y a modo de referencia se da el siguiente valor:
El problema del golpe de ariete es uno de los problemas más complejos de la hidráulica, y se resuelve generalmente mediante modelos matemáticos que permiten simular el comportamiento del sistema. Las bombas de ariete funcionan gracias a este fenómeno.
5.4.2 CAVITACION Es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno.
