Obras Hidráulicas SAN DIEGO, EDO. CARABOBO. UNIVERSIDAD JOSÉ ANTONIO PÁEZ FACULTAD DE INGENIERÍA. ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL CÁTEDRA: OBRAS HIDRÁULICAS PROFESOR: Angel Medina
TAREA 2. OBRAS HIDRÁULICAS CLASIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS DE BOMBEO
Elaborado por: Johan J. Lamas C.I: 21.477.743
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¿Qué son las bombas? La palabra bomba es un término general que designa a cualquier máquina hidráulica que añada energía al fluido. El incremento en la energía hidráulica se experimenta como un aumento en la presión del fluido. De acuerdo con el principio de continuidad, si el flujo es incompresible, el gasto en la entrada y gasto en la descarga deben ser iguales. Además, si el diámetro de la descarga es igual al de la entrada entonces la velocidad promedio en la descarga debe ser idéntica a la velocidad promedio en la entrada. En otras palabras, una bomba no aumenta necesariamente la velocidad del fluido que pasa por ella, sino que incrementa la presión del fluido. La velocidad de salida podría ser más baja que la velocidad de entrada si el diámetro de la descarga es mayor que el de la entrada. El objetivo de instalar una bomba es añadir energía al fluido, lo que da como resultado un incremento en la presión de éste, no necesariamente un aumento en la velocidad del fluido cuando pasa por la bomba.
Clasificación de los equipos de bombeo Bombas de desplazamiento positivo En este tipo de bombas, el fluido se aspira dentro de un volumen en expansión y luego se expulsa cuando ese volumen se contrae, pero el mecanismo que provoca que cambie el volumen es muy diferente entre los diversos modelos de bombas. Algunas bombas tienen un diseño muy simple, otras son más complejas, ya que necesitan levas rotatorias con lóbulos sincronizados, engranajes conectados o tornillos. Las bombas de desplazamiento positivo son ideales cuando se necesita alta presión, como en el bombeo de líquidos viscosos, lodos o suspensiones espesas, y donde se necesita medir o despachar cantidades de líquido precisas, como en las aplicaciones médicas. Este tipo de bombas se utiliza, por ejemplo, cuando el motor de un automóvil bombea aceite y en la industria de los alimentos para bombear líquidos pesados como jarabes, pasta de tomate, chocolate y sopas preparadas. Las bombas de desplazamiento positivo ofrecen muchas ventajas en comparación con las bombas dinámicas. Por ejemplo, una bomba de desplazamiento positivo es mejor para conducir líquidos sensibles al esfuerzo cortante. La sangre es un líquido sensible al esfuerzo cortante, esta es la razón por la que estas bombas se usan en corazones artificiales. Una bomba de desplazamiento positivo muy bien sellada, genera una presión de vacío importante en su entrada, incluso si no está cebada, y por lo tanto es capaz de elevar un líquido que esté ubicado a varios metros por abajo de la bomba. Esta clase de bombas se denominan bombas de autocebado. Por último, los rotores de las bombas de desplazamiento positivo funcionan a velocidades menores que las del rotor (o impulsor) de una bomba dinámica a cargas similares, esto prolonga la vida útil de los sellos. Las bombas de desplazamiento positivo también tienen desventajas. Su gasto no puede cambiar a menos que se modifique la rotación (esto no es tan sencillo como parece, debido a que la mayoría de los motores eléctricos de corriente alterna (AC) están diseñados para operar a una o más velocidades rotacionales fijas). Estas bombas generan una presión muy alta en el lado de descarga, y si la salida se bloquea, podría haber roturas o el motor se puede sobrecalentar. Con frecuencia, la protección contra
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presión excesiva (es decir, válvulas reductoras de presión) se necesita por esta causa. Estas bombas por su diseño podrían entregar un flujo pulsátil que sería inaceptable en algunos casos.
Bomba de desplazamiento positivo: Levas rotatorias de lóbulos.
Bomba de desplazamiento positivo: De doble tornillo.
Bomba de desplazamiento positivo: De engranajes.
Una bomba que eleva el fluido aunque esté “Vacía” se llama bomba de autocebado.
Funcionamiento de una bomba rotatoria de dos lóbulos, un tipo de bomba de desplazamiento positivo. La región sombreada con un azul más claro representa una porción del fluido empujada por el rotor superior y la sombreada de azul oscuro es la porción empujada por el rotor inferior. El rotor superior e inferior giran en direcciones opuestas para mover el flujo. Johan Lamas
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Salida
Válvula reductora de presión
Entrada La bomba de aceite del motor de un vehículo es una bomba de desplazamiento positivo de engranaje
Bombas dinámicas Existen tres tipos de bombas dinámicas que cuentan con álabes rotatorios, que son llamados álabes del rotor o impulsor (en América Latina). Estos elementos le proporcionan una cantidad de movimiento al fluido. Por esta razón se les llama algunas veces bombas rotodinámicas o, simplemente, bombas rotatorias (no deben confundirse con las de desplazamiento positivo). También existen bombas dinámicas no rotatorias, como las bombas de chorro (o bombas de inyección) y las bombas electromagnéticas. Las bombas rotatorias se clasifican por la manera en la cual el flujo sale de la bomba: Flujo radial (centrífugo), flujo axial y flujo mixto (o radioaxial). En el caso de una bomba de flujo radial, el fluido entra de manera axial ( en la misma dirección del eje giratorio) en el centro de la bomba, pero se descarga de una manera radial (o tangencialmente) a lo largo del radio exterior de la carcasa de la bomba. Por esta razón las bombas centrífugas reciben también el nombre de bombas de flujo radial. En el caso de una bomba de flujo axial, el fluido entra y sale axialmente, en general a lo largo de la parte exterior de la bomba. Una bomba de flujo mixto es considerada intermedia entre centrífuga y axial, ya que el flujo entra en forma axial, no necesariamente en el centro, pero se descarga a un ángulo entre las direcciones radial y axial.
Criterio de clasificación de bombas dinámicas Las bombas dinámicas o rotodinámicas pueden clasificarse utilizando como criterio un parámetro llamado velocidad específica expresada en revoluciones por minuto, para bombas centrífugas (flujo radial) el rango de velocidad es de 500 a 2000 rpm, para bombas de flujo mixto (2000 a 7000 rpm) y bombas de flujo axial (7000 a 15000 rpm). Johan Lamas
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Bombas centrífugas Las bombas centrífugas se identifican con facilidad por su carcasa en forma de caracol llamada voluta o cabezal. Se encuentran en todos lados en los hogares, en la máquina lavaplatos, bañeras, lavadoras y secadoras de ropa, secadoras para el cabello, aspiradoras, campanas de extracción de la cocina, sistema de ventilación del sanitario, sopladores, hornos, entre otros aparatos. Se utilizan en automóviles: la bomba de agua del motor y el ventilador en la unidad de aire acondicionado. Las bombas centrifugas están en la mayoría de las industrias: se utilizan en sistemas de ventilación de construcciones, en las operaciones de lavado, en depósitos de enfriamiento y torres de enfriamiento, aparte de otras numerosas operaciones industriales en las cuales los fluidos tienen que bombearse. En la terminología de bombas, todo el ensamblaje que gira y que consiste en un eje, los álabes del impulsor, el núcleo y el refuerzo del impulsor se denomina rotor. El fluido entra de manera axial a través de la parte central hueca de la bomba (el ojo), después del cual el fluido enfrenta los álabes rotatorios, adquiere velocidad tangencial y radial por medio de los álabes y adquiere velocidad radial adicional por medio de las fuerzas llamadas centrífugas, que son en realidad falta de fuerzas centrípetas para mantener el movimiento circular. El flujo sale del rotor después de ganar tanto velocidad como presión cuando es lanzado radialmente hacia afuera del rotor hacia la voluta (cabezal). Como se muestra en el diagrama de bomba centrífuga anexo a este documento, la voluta o cabezal es un difusor en forma de caracol cuyo objetivo 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 y también dirige el flujo hacia una salida común. Si los diámetros en la entrada y la salida son iguales, la velocidad media del flujo en la salida es idéntica a la velocidad media en la entrada, no necesariamente la velocidad se incrementa sino la presión cuando el flujo pasa desde la entrada a la salida de una bomba centrífuga. Los tipos de bombas centrífugas basándose en las características geométricas de los álabes son; con álabes inclinados hacia atrás, álabes radiales y álabes inclinados en sentido del giro.
Vista lateral y frontal de una bomba centrífuga típica. El fluido ingresa en forma axial en el punto medio de la bomba (el ojo) y es lanzado hacia la parte exterior de los álabes del rotor (o impulsor), luego pasa al difusor de expansión (Voluta) y se descarga por un lado de la bomba. Johan Lamas
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Las bombas centrífugas con álabes inclinados hacia atrás (a) son las más comunes. Proporcionan la más alta eficiencia de los tres porque el fluido pasa por los huecos de los álabes con la mínima cantidad de giros. El incremento en la presión es intermedio entre los otros dos tipos de bombas centrífugas. Las que tienen álabes radiales (también denominados álabes rectos (b)) generan el incremento en la presión más grande de los tres tipos de bombas para una diversidad de valores de gasto, pero el incremento en la presión disminuye con rapidez después del punto de eficiencia máxima. Las bombas centrífugas con álabes inclinados en el sentido del giro (c) producen un incremento de presión que es casi constante, si bien más bajo que el de los álabes inclinados hacia atrás y de los álabes rectos, en una diversidad amplia de cantidades de volumen. Las bombas centrífugas con álabes inclinados en el sentido del giro tienen una eficiencia máxima inferior que la de las bombas con álabes rectos. Se prefieren las bombas con álabes inclinados hacia atrás para aplicaciones donde es necesario proporcionar caudal e incremento en la presión en un margen estrecho de valores. La operación de las bombas con álabes inclinados en el sentido del giro es más flexible y se adecúa a una amplia variación de las condiciones de bombeo, a costo de una eficiencia menor y bajo incremento de presión por unidad de potencia absorbida. Si se requiere una bomba para generar un gran incremento en la presión en un amplio intervalo de gasto, entonces la bomba centrífuga con álabes inclinados en el sentido del giro es adecuada. Usualmente estas bombas tienen un diseño en el cual el motor y la voluta están acoplados formando un solo bloque y por eso se les llama “MonoBlock” en cambio otros diseños tienen el motor y la voluta separados, pero acoplados por un eje. Con cualquiera de estas dos configuraciones, además, el eje de la bomba puede estar en posición horizontal o con el eje en posición vertical.
Tipos de geometría en las bombas centrífugas
Bombas de pistón La bomba a pistón, llamada también bomba Aspirante-Impelente es uno de los sistemas más antiguos utilizados para obtener agua de un pozo profundo. Su mecanismo básico consiste en un pistón o émbolo que se desplaza en el interior de un cilindro, manteniendo un contacto preciso y ajustado con el cilindro. Tal como sucede en una jeringa, el agua es absorbida generando un vacío. El cuerpo de la bomba (o cilindro) tiene dos orificios o conjuntos de orificios: uno para el ingreso del agua, ubicado en el fondo del cilindro (V.I) y otro para su salida ubicado en la parte superior en el pistón (V.S). Cada orificio posee una válvula que controla el paso del agua; el desplazamiento del agua las acciona alternadamente. En las bombas a pistón de acción simple, el pistón (P) produce un vacío que simultáneamente abre la válvula inferior (V.I), succiona el agua y Johan Lamas
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mantiene cerrada la válvula superior (V.S). Al descender el pistón, la presión del agua contenida en el cilindro cierra la válvula inferior y simultáneamente abre la válvula superior. El agua comprimida por el pistón, escapa por la válvula superior y se desplaza entonces por la tubería de salida empujando el agua que se había depositado allí anteriormente. Al repetirse el movimiento Ascendente-Descendente del pistón, la succión e impulsión del agua continúa y hace que el agua vaya ascendiendo por la tubería constantemente.
Funcionamiento de una Bomba de pistón
Bombas de aljibe La clásica bomba de aljibe o bomba manual se coloca al nivel del terreno y aspira el agua por una tubería desde un tanque ubicado a una profundidad máxima de 7 metros. Son de accionamiento manual por las características de su mecanismo no son aptas para impeler el agua, que vierten por un pico lateral del cilindro.
Bomba de aljibe Johan Lamas
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Bomba a pie de molino Son bombas que pueden ser accionadas manualmente o por un molino (Turbina eólica). El cilindro o cuerpo de la bomba queda sumergido en el fondo del pozo, y el pistón es accionado desde la superficie mediante un eje que se desplaza dentro de la tubería de impulsión. El molino tiene un mecanismo que transforma el giro continuo de las aspas (o ventilador) en un movimiento de vaivén vertical.
Tubería Salida
Bomba a pie de molino
Electrobomba centrífuga sumergible para pozo profundo La palabra electrobomba se refiere a que el motor de la bomba es eléctrico, esta bomba es la más adecuada para extraer agua de perforaciones profundas. Si bien se la viene utilizando desde hace tiempo en instalaciones industriales, los modelos más apropiados para instalaciones domésticas se han desarrollado y popularizado más recientemente. Estas bombas constan básicamente de dos partes. El motor que es accionado eléctricamente y blindado, es comprimido, de forma alargada y poco diámetro debe ir colocado dentro de la perforación totalmente sumergido en el agua y el cuerpo de la bomba que también es de forma alargada para poder quedar sumergido justo encima del motor. Este tipo de bombas funciona porque el agua entra por el centro inferior de un disco impulsor que gira rápidamente y la impulsa hacia la periferia, donde pasa directamente al disco difusor superior. Los canales del difusor fijo dirigen el agua hacia el centro, aumentando su presión y formando un flujo que es absorbido por el próximo disco impulsor. Johan Lamas
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Como el agua con alto contenido de arena o minerales entorpece el funcionamiento de estas bombas y desgasta sus piezas antes de entrar a la bomba debe pasar por uno o más filtros apropiados para el tipo de minerales que arrastre el agua. Para elegir bien el tipo de filtro conviene analizar el contenido de sólidos de una muestra de agua a bombear.
Electrobomba centrifuga sumergible
Las ventajas de estas bombas son: -
El motor por estar sumergido, el agua lo mantiene constantemente refrigerado. El acople entre el motor y el cuerpo de la bomba es directo. No hay ninguna pieza intermedia que requiera lubricación y no tiene pérdida de potencia en rodamientos que debieran sostener un eje. Muy pocas piezas se pueden desgastar.
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Las desventajas son: -
Si la instalación de una electrobomba de este tipo es considerada una buena inversión, el costo inicial puede ser elevado. No todas pueden ser colocadas en una perforación existente. Como la bomba queda en el fondo de la perforación, en caso de desperfecto para repararla hay que desmontar la tubería.
Bombas centrífugas sumergidas (de eje vertical) Son bombas centrífugas verticales con acople cuyo eje se ha alargado de manera que el motor quede fuera del pozo y el cabezal se sumerja en el fondo, donde succiona el líquido a bombear. El cabezal de la bomba debe ser colocado con el eje vertical, quedando con su mayor dimensión en posición horizontal y tomando el líquido por su cara inferior.
Salvo casos especiales, estas bombas tienen dos caños verticales subterráneos: Uno que acopla el eje de transmisión bajo el motor de la bomba y otro que sirve para elevar el líquido desde la salida lateral de la carcasa de la bomba hasta la superficie. El diámetro de esta tubería depende del tipo de líquido a bombear. Se usan para la extracción de aguas claras para instalaciones industriales, grandes construcciones, etc. La profundidad máxima de trabajo depende de la potencia del motor, del largo del eje motor/cabezal y de las demás características de la bomba. La principal ventaja que puede justificar su uso es que como el motor queda externo, fuera de la perforación, en caso de averías su reparación o recambio es simple y rápida. Entre las desventajas se puede destacar que se requiere una perforación o un pozo de un diámetro más o menos importante, para dar espacio suficiente para colocar las dos tuberías (la tubería abajo del motor y la de descarga de la bomba) y el cabezal de la bomba en posición horizontal dentro del pozo. Para extraer agua a grandes profundidades tienen el inconveniente de que como el eje debe mantenerse firme y vertical los rodamientos de soporte ocasionan pérdidas de energía. Motor
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Bomba centrifuga sumergible de eje vertical
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Bombas de eyector o de inyección Se les llama también bombas de chorro, son un tipo de bomba dinámica no rotatoria cuyo funcionamiento ocurre por el principio del tubo de venturi. Es más rápida, silenciosa y eficaz que un bombeador eléctrico (abastecimiento continuo y más caudal) y puede resultar más económica que una bomba sumergible. Esta bomba es una variante de la bomba centrífuga de eje horizontal: además de la boca de entrada y la boca de salida, tiene un sistema hidráulico interno que desvía una parte del agua que elevó para inyectarla nuevamente en la tubería de succión y provocando un vacío, producir un aumento en el proceso de succión. El agua reingresa hasta un inyector sumergido en el agua. Cuando el chorro de agua entra en la garganta estrecha del inyector, por un efecto llamado Venturi se acelera y rápidamente se expande, creando un vacío parcial que succiona el agua. El inyector tiene una válvula que se cierra cuando la bomba no trabaja. Con estas bombas se puede extraer agua desde más de 40 metros de profundidad. Comparándolas con las centrífugas para pozo profundo, se les considera antieconómicas porque más del 50 % del agua que se extrae debe reingresar y se les considera ventajosas si para colocarlas puede aprovecharse perforaciones existentes.
Bomba de chorro o de inyección Johan Lamas
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Otros sistemas de bombeo En zonas donde el abastecimiento público de agua no garantice la presión suficiente en la toma domiciliaria, podrán instalarse en las edificaciones equipos hidroneumáticos, para mantener la presión adecuada en el sistema de distribución de agua. El sistema de presión hidroneumático es una modernización del método de suministro de agua por un tanque que funciona por gravedad. Su propósito principal es controlar o aumentar la presión de alimentación de la red de abastecimiento público a un valor más alto o más uniforme para que un suministro de agua continuo y satisfactorio esté disponible en todas las instalaciones dentro del sistema.
% Aire
Bomba
% Agua
Fundamentalmente un sistema que lleva a cabo este fin consiste en una bomba adecuada, un tanque de presión y dispositivos de control esenciales para hacer que el sistema funcione automáticamente con la menor supervisión posible. La bomba se utiliza para suministrar la cantidad requerida de agua en el tanque a la presión adecuada, mientras que el tanque actúa como un recipiente de almacenamiento con las proporciones adecuadas de agua y aire dentro de las presiones y los niveles sostenidos por los dispositivos de control. El aire que se expande debido a la reducción de las presiones regula la cantidad de agua que puede ser utilizada por el sistema antes que la bomba se encienda una vez más para reponer la reserva que se desea mantener en el tanque. Esta relación de presión y volumen es una ley bien conocida de la física que establece que a temperatura constante, el volumen de una cierta cantidad de gas varía inversamente con la presión absoluta. Es conocida en la química general como la ley de Boyle.
Cámara de aire (% Aire)
Nivel Máximo
Volúmen Útil de Agua
(% Vu)
Nivel Mínimo
% Reserva de Agua (10%)
Descarga
Drenaje del tanque
Niveles de presión del hidroneumático.
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