U N ID I D A D 5: 5 : S I S T E MA S D E B O MB MB E O Un sistema de bombeo consiste en un conjunto de elementos que permiten el transporte a través de tuberías y el almacenamiento temporal de los fluidos, de forma que se cumplan las especificaciones de caudal y presión necesarias en los diferentes sistemas y procesos. El sistema de bombeo tiene como objeto elevar la presión del fluido térmico para vencer la resistencia que opondrá el circuito a su circulación. Las presiones de trabajo deben ser tales que se garanticen en todo momento que el fluido permanece en estado líquido y que no hay vaporización.
Por ello, suele utilizarse una presión mínima, a la entrada a las b ombas, de al menos 11 bar, ya que la presión de vapor del fluido térmico a 393ºC, máxima temperatura de utilización, es 10,6 bar. Teniendo en cuenta cuen ta que a la entrada a la bomba bo mba rara vez el fluido se encontrará a esa temperatura, tempe ratura, en algunas plantas se prefieren presiones p resiones más bajas, en torno a 6 bares, lo que ahorra consumo de energía eléctrica auxiliar. La selección de las bombas a emplear, el número de bombas, e incluso el sistema de refrigeración del sello mecánico son aspectos muy delicados que hay que estudiar meticulosamente durante el diseño de la planta. CICLOS DE BOMBEO Se denomina ciclos de bombeo al número de arranques de una bomba en una hora. Cuando se dimensiona un tanque se debe considerar la frecuencia del número de arranques del motor en la bomba. Si el tanque es demasiado pequeño, la demanda de distribución normal extraerá el agua útil del tanque rápidamente y los arranques de las bombas serán demasiado frecuentes. Un ciclo muy frecuente causa un desgaste innecesario de la bomba y un consumo excesivo de potencia.
Por convención se usa una frecuencia de 4 a 6 ciclos por hora, el ciclo de cuatro (4) arranques/hora se usa para el confort del usuario y se considera que con más de seis (6) arranques/hora puede ocurrir un sobrecalentamiento del motor, desgaste innecesario de las unidades de bombeo, molestias al usuario y un excesivo consumo de energía eléctrica. El punto en que ocurre el número máximo de arranques, es cuando el caudal de demanda de la red alcanza el 50% de la capacidad de la bomba. En este punto el tiempo que funcionan las bombas iguala al tiempo en que están detenidas. Si la demanda es mayor que el 50%, el tiempo de funcionamiento será más largo; cuando la bomba se detenga, la demanda aumentada extraerá el agua útil del tanque más rápidamente, pero la suma de los dos periodos, será más larga. Una vez calculado el Caudal Máximo Probable de agua correspondiente a una red de distribución, así como, los diámetros y presión mínimas requeridos por la red, y tomada la decisión de instalar un sistema hidroneumático, se deben tomar en cuenta un grupo de factores los cuales se explicarán en las secciones siguientes.
5.1 DEFINICION Y CLASIFICACION DE EQUIPOS DE BOMBEO BOMBA: La bomba es una máquina que absorbe energía mecánica que puede provenir de un motor eléctrico, térmico, etc., y la transforma en energía que la transfiere a un fluido como energía hidráulica la cual per mite que el fluido pueda ser transportado de un lugar a otro, a un mismo nivel y/o a diferentes niveles y/o a diferentes velocidades. Una bomba, en pocas palabras, es un elemento que provee de Energía a un sistema, mientras que una turbina toma energía del sistema para luego transformarla. Es por lo anterior que en el Teorema de Bernoulli la presión de la Bomba (Pp) se encuentra generalmente al lado izquierdo de la ecuación, y la presión de la turbina (Pt) se encuentra del lado derecho. Entonces para un sistema que contenga una Bomba y una turbina el teorema de Bernoulli se escribe de la siguiente manera: +
½. P. +P. g. + Pp = + ½ .P. P. g. +h. p.g.
DEFINICIÓN DE UN EQUIPO DE BOMBEO
Por convención se usa una frecuencia de 4 a 6 ciclos por hora, el ciclo de cuatro (4) arranques/hora se usa para el confort del usuario y se considera que con más de seis (6) arranques/hora puede ocurrir un sobrecalentamiento del motor, desgaste innecesario de las unidades de bombeo, molestias al usuario y un excesivo consumo de energía eléctrica. El punto en que ocurre el número máximo de arranques, es cuando el caudal de demanda de la red alcanza el 50% de la capacidad de la bomba. En este punto el tiempo que funcionan las bombas iguala al tiempo en que están detenidas. Si la demanda es mayor que el 50%, el tiempo de funcionamiento será más largo; cuando la bomba se detenga, la demanda aumentada extraerá el agua útil del tanque más rápidamente, pero la suma de los dos periodos, será más larga. Una vez calculado el Caudal Máximo Probable de agua correspondiente a una red de distribución, así como, los diámetros y presión mínimas requeridos por la red, y tomada la decisión de instalar un sistema hidroneumático, se deben tomar en cuenta un grupo de factores los cuales se explicarán en las secciones siguientes.
5.1 DEFINICION Y CLASIFICACION DE EQUIPOS DE BOMBEO BOMBA: La bomba es una máquina que absorbe energía mecánica que puede provenir de un motor eléctrico, térmico, etc., y la transforma en energía que la transfiere a un fluido como energía hidráulica la cual per mite que el fluido pueda ser transportado de un lugar a otro, a un mismo nivel y/o a diferentes niveles y/o a diferentes velocidades. Una bomba, en pocas palabras, es un elemento que provee de Energía a un sistema, mientras que una turbina toma energía del sistema para luego transformarla. Es por lo anterior que en el Teorema de Bernoulli la presión de la Bomba (Pp) se encuentra generalmente al lado izquierdo de la ecuación, y la presión de la turbina (Pt) se encuentra del lado derecho. Entonces para un sistema que contenga una Bomba y una turbina el teorema de Bernoulli se escribe de la siguiente manera: +
½. P. +P. g. + Pp = + ½ .P. P. g. +h. p.g.
DEFINICIÓN DE UN EQUIPO DE BOMBEO
Un equipo de bombeo es un transformador tr ansformador de energía. Recibe energía mecánica me cánica y la convierte en energía que un fluido adquiere en forma de presión, de posición o de velocidad. En la mayoría de las aplicaciones de energía conferida por una bomba es una mezcla de las tres (presión, posición y velocidad), las cuales se comportan con los principios de la mecánica de fluidos. Un equipo de bombeo consiste de dos elementos, una bomba y su accionador el 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. Como un ejemplo de esta adición de energía al fluido mencionaremos el uso de algunos equipos de bombeo en los servicios específicos siguientes: Un equipo de bombeo de pozo profundo se utiliza para cambiar la posición posición del agua que se encuentra en el subsuelo para que salga a la superficie. Un equipo de bombeo de transporte (Pipe-Iine) se utiliza para adicionar energía de presión al fluido, que se utiliza para poder vencer las pérdidas de fricción que se tienen en la conducción, esto se da en donde las elevaciones, así como los diámetros de tubería y las velocidades del fluido son iguales. En la mayoría de las aplicaciones de los equipos de bombeo en que se trabajan con presiones y elevaciones iguales, generalmente estos adicionan energía de velocidad.
CLASIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS BOMBAS. Las bombas se clasifican con base en una u na gran cantidad de criterios, que van desde d esde 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 o 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. CÁLCULO DE LA CARGA DE BOMBEO. El cálculo de la carga total de bombeo consiste en determinarla energía requerida para impulsar el líquido desde el nivel de succión hasta el nivel de descarga, venciendo la resistencia que ofrecen la tubería y los accesorios, al paso del fluido.
CARGA DINÁMICA TOTAL (CDT). La carga dinámica total de bombeo se define como la suma total de resistencias del sistema, correspondientes a la carga estática total, a la pérdida de carga por fricción en la tubería de succión y descarga y a la carga de velocidad. CDT = He + Hf + Hv Para determinar la carga dinámica total del sistema, se hace uso de la ecuación de Bernoulli. CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS Las bombas son máquinas en las cuales se produce una transformación de la energía mecánica en energía hidráulica (velocidad y presión) comunicada al fluido que circula por ellas. Atendiendo al principio de funcionamiento, pueden clasificarse en los siguientes grupos: Bombas de desplazamiento positivo o volumétricas: En ellas se cede energía de presión al fluido mediante volúmenes confinados. Se produce un llenado y vaciado periódico de una serie de cámaras, produciéndose el trasiego de cantidades discretas de fluido desde la aspiración hasta la impulsión. Pueden a su vez subdividirse en alternativas y rotativas. Dentro del primer grupo se encuentran las bombas de pistones y émbolos; al segundo pertenecen las bombas de engranajes, tornillo, lóbulos, paletas, etc.
Turbobombas:
La turbobomba es una máquina hidráulica que cede energía al fluido mediante la variación del momento cinético producido en el impulsor o rodete. Atendiendo a la dirección del flujo a la salida del rodete, pueden clasificarse en: a) Centrífugas: el flujo a la salida del rodete tiene tiene dirección perpendicular al eje (flujo radial). b) Axiales: dirección del flujo a la salida es paralela al eje (flujo axial). c) Helicocentrífugas: el flujo es intermedio intermedio entre radial y axial (flujo mixto). La forma del rodete y de la carcasa son variables según el tipo de bomba centrífuga. En las bombas de flujo radial el líquido entra e ntra axialmente en el rodete por la boquilla de aspiración y se descarga radialmente hacia la carcasa. En las bombas de flujo mixto el líquido entra axialmente en el rodete y se descarga en una dirección entre la radial y la axial. En las bombas de flujo axial el líquido entra y sale del rodete axialmente.
DEFINICIÓN DE BOMBAS HIDRÁULICAS Las bombas son equipos mecánicos que sirven para elevar los líquidos y conducirlos de un lugar a otro, o lo que es lo mismo, comunicarles cierta cantidad de energía (carga) que les permita vencer la resistencia de las tuberías a la circulación, así como, la carga que representa la diferencia de nivel entre el lugar de donde se toma el líquido y el lugar a donde se pretende llevar. Los líquidos circulan del lugar de mayor energía al lugar de menor energía; el suministrarle energía la bomba al líquido tiene el objeto de producir el gradiente necesario para establecer la circulación y vencer las resistencias Un equipo de bombeo es un transformador de energía. Recibe energía mecánica, que puede proceder de un motor eléctrico, térmico, etc., y la convierte en energía que un fluido adquiere en forma de presión, de posición o de velocidad. Así tendemos bombas que se utilizan para cambiar la posición de un cierto fluido. Un ejemplo lo constituye una bomba de pozo profundo, que adiciona energía para que el agua del subsuelo salga a la superficie.
Un ejemplo de bombas que adicionan energía de presión sería una bomba en un oleoducto, en donde las cotas de altura, así como los diámetros de tuberías y consecuentemente las velocidades fuesen iguales, en tanto la presión es incrementada para poder vencer las perdidas por fricción que se tuviesen en la conducción. Existen bombas trabajando con presiones y alturas iguales que únicamente adicionan energía de velocidad. Sin embargo, por la aceptación que llevan implícita de las expresiones fuerza tiempo. En la mayoría de las aplicaciones de energía conferida por una bomba es una mezcla de las tres, las cuales se comportan de acuerdo con las ecuaciones fundamentales de la mecánica de fluidos. Lo inverso a lo que sucede en una bomba se tiene en una maquina llamada comúnmente turbina, la cual transforma la energía de un fluido, en sus diferentes componentes citadas, en energía mecánica. Para mayor claridad buscando una analogía con las maquinas eléctricas y para el caso específico del agua, una bomba sería un generador hidráulico, en tanto que una turbina sería un motor hidráulico. DESCRIPCIÓN DE LAS BOMBAS Siendo tan variados los tipos de bombas que existen, es muy conveniente hacer una adecuada clasificación. La que se considera, as completa, y que se usara en este libro, es la del “Hydraulic Institute”, en su última edición. El mencionado Instituto tiene como miembros a más de cincuenta compañías fabricantes de equipos de bombeo en el mundo entero y se ha preocupado por mantener al día los llamados “Standars”. CLASIFICACIÓN DE BOMBAS HIDRÁULICAS. Las bombas se pueden clasificar de muchas maneras desde diferentes puntos de vista pero en forma general podríamos considerar los siguientes. Por la posición de su eje (Vertical, horizontal). según su carcaza(Voluta , difusor ), según el modo de operación (Desplazamiento positivo , roto dinámicas ) , por el tipo de rodete (Abierto , semicerrado ) etc ; pero la mane ra más común de clasificarlo es según su modo de operación los cuales se pueden definir :
Desplazamiento positivo
Son aquellas que confinan un volumen de fluido y lo trasladan a otro lugar, dentro de este grupo se encuentran todas las bombas usadas en la oleo hidráulica y de uso frecuente en los quirófanos, en el bombeo del petróleo de los pozos profundos y las usadas en la industria osada general, bombeo del concreto, equipos pesados para movimiento de tierras , reguladoras de velocidades etc. Existen los siguientes tipos más comunes.
RECIPROCANTES ENGRANAJES PALETAS LÓBULOS PULSATILES TORNILLOS
Desplazamiento no positivo o roto dinámicas
Son aquellas en que la transferencia de energía se produce en una superficie mojada por el fluido en la que dicha superficie (Alabe) recibe el movimiento debido a la energía mecánica de rotación que recibe de un elemento motriz, de estos existen los siguientes tipos más importantes: CENTRIFUGAS(radial , mixto y axial) PERIFERICAS (unipaso , multipaso) ELECTROMAGNÉTICA
Debemos mencionar que las bombas centrifugas son las más utilizadas en el campo de la ingeniería debido a su funcionamiento y su estructura mecánica. TIPO DE BOMBA Y APLICACIONES Las bombas poseen diferentes aplicaciones dentro de la vida práctica de las personas y la industria, vamos a mencionar algunas aplicaciones de las bombas para tener una mayor orientación y categorización de las bombas. •
Bombas para manejo de diferentes sustancias químicas
BOMBA PARA
•
MANEJO DE DIFERENTES SUBSTANCIAS QUÍMICAS
Bombas rotatorias para manejo de aceites, mieles, fibras, etc.
BOMBAS ROTATORIAS PARA MANEJO DE ACEITES , MIELES , FIBRAS , ETC. •
Bombas Elevadoras de aguas subterráneas .
BOMBA ELEVADORA DE AGUAS SUBTERRÁNEAS ESTACIONES DE BOMBEO Las estaciones de bombeo son instalaciones, construidas y equipadas para transportar el agua residual del nivel de succión o de llegada a las unidades de tratamiento, al nivel superior o de salida de la misma .Las estaciones de bombeo de aguas residuales son necesarias para elevar y/o transportar, cuando la disposición final del flujo por gravedad ya no es posible. En terrenos planos, los
colectores que transportan el agua residual hacia la estación de tratamiento se pueden profundizar de tal modo que se tornaría impracticable la disposición final sólo por gravedad. Las tuberías de alcantarillado, al funcionar como conductos libres, necesitan tener cierta pendiente que permita el escurrimiento por gravedad, situación que en terrenos planos ocasiona que las mismas, en si desarrollo, cada vez sean más profundas. En consecuencia, las estaciones de bombeo surgen como instalaciones obligatorias en Sistemas de Alcantarillado de comunidades o áreas con pequeña pendiente superficial. Las aguas residuales son bombeadas con los siguientes propósitos: •Para ser conducidas a lugares distantes. •Para conseguir una cota más elevada y posibilitar su lanzamiento en cuerpos receptores de agua. •Para iniciar un nuevo tramo de escurrimiento por gravedad. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA ESTACIÓN DE BOMBEO Cualquier sistema de bombeo tiene 2 lados perfectamente identificados •El lado de la “Succión”: comprende la parte de la tubería entre la válvula antiretorno y la boca de entrada de la bomba, en este lado no interviene la potencia de la bomba y la operación de llenado con el fluido de la cámara de la bomba es solo responsabilidad de la presión atmosférica local. •El lado de la “Impulsión”: está comprendida entre la salida de la bomba y la salida del agua por la parte distal de la instalación , el flujo en este lado es exclusivamente con la potencia de la bomba . DESCRIPCIÓN ESTACIÓN DE BOMBEO Las estaciones de bombeo son estructuras destinadas a elevar un fluido desde un nivel energético inicial a un nivel energético mayor .Su uso es muy extendido en los varios campos de la ingeniería, así, se utilizan en: •Redes de abastecimiento de agua potable, donde su uso es casi obligatorio, salvo en situaciones de centros poblados próximos de cadenas montañosas, con manantiales situados a una cota mayor} • Red de alcantarillado, cuando los centros poblados se sitúan en zonas muy planas, para evitar que las alcantarillas estén a profundidades mayores a los 4 - 5 m. •Sistema de riego, en este caso son imprescindibles si el riego es con agua de pozos no artesianos.
Sistema de drenaje, cuando el terreno a drenar tiene una cota infer ior al recipiente de las aguas drenadas.En muchas plantas de tratamiento tanto de agua potable como de aguas servidas, cuando no puede disponerse de desniveles suficientes en el terreno •Un gran número de plantas industriales. Generalmente las estaciones de bombeo constan de las siguientes partes: • Rejas. • Cámara de succión. • Las bombas propiamente dichas. • Línea de Impulsión. • Servicios auxiliares. • Dispositivos de protección contra el golpe de ariete. • Línea de alimentación de energía eléctrica o instalación para almacenamiento de combustible. • Sistema de monitoreo y telecomunicaciones. TIPOS DE ESTACIONES DE BOMBEO Se acostumbra clasificar las estaciones de bombeo para agua potable en primarias y secundarias LAS ESTACIONES PRIMARIAS: Toman el agua de alguna fuente de Abastecimiento o de algún cárcamo, y la elevan a otro almacenamiento, al tratamiento, a la red directamente o a una combinación de ellas. LAS ESTACIONES SECUNDARIAS Mejoran las condiciones de una primaria incrementando presión o gasto, pero con la alimentación de una estación primaria. TIPOS BÁSICOS. Las estaciones primarias pueden construirse básicamente de dos tipos: Estaciones de una cámara Generalmente se usan para bombas de eje vertical o sumergible y consisten de una sola cámara donde se tiene la entrada del agua , el almacenamiento necesario y los equipos de bombeo, antes mencionados. Dentro de los sistemas de bombeo se encuentran dos tipos de succión: •SUCCION POSITIVA •SUCCION NEGATIVA Estaciones de dos cámaras
Se consideran dos cámaras o cárcamos. En uno se tendrá la entrada del agua y un deposito que sirva para conectar la succión; en el otro, que se denomina cámara seca se colocan los equipos de bombeo. La primera cámara puede no existir como tal, sino que puede ser simplemente una fuente natural. Succión Positiva: La cual se genera por las siguientes características 1. El nivel del líquido en el deposito que se va a bombear, está por arriba dela línea de centro de la succión de la bomba. por lo tanto la cabeza estática de succión deberá de tener un valor positivo. “es succión positiva cuando el nivel del líquido a bombear está arriba del centro de la succión de la bomba, por lo tanto la cabeza estática de succión será mayor de cero y con valor positivo.
SISTEMAS DE BOMBEO DE SUCCIÓN POSITIVA.
SUCCIÓNNEGATIVA La cual se genera por las siguientes características 1. El nivel del líquido en el depósito que se va a bombear, está por debajo de la línea de centro de la succión de la bomba. 2. Por lo tanto la cabeza estática de succión deberá de tener un valor negativo y menor de cero. “es succión negativa cuando el nivel del líquido a bombear está por debajo del centro de la succión de la bomba, por lo tanto la cabeza estática de succión será menor de cero y con valor negativo”.
SISTEMAS DE BOMBEO DE SUCCIÓN NEGATIVA.
BOMBAS CENTRIFUGAS Las bombas centrífugas, también denominadas rotativas, tienen un rotor de paletas giratorio sumergido en el líquido. El líquido entra en la bomba cerca del eje del rotor, y las paletas lo arrastran hacia sus extremos a alta presión. El rotor también proporciona al líquido una velocidad relativamente alta que puede transformarse en presión en una parte estacionaria de la bomba, conocida como difusor. En bombas de alta presión pueden emplearse varios rotores en serie, y los difusores posteriores a cada rotor pueden contener aletas de guía para reducir poco a poco la velocidad del líquido. En las bombas de baja presión, el difusor suele ser un canal en espiral cuya superficie transversal aumenta de forma gradual para reducir la velocidad. El rotor debe ser cebado antes de empezar a funcionar, es decir, debe estar rodeado de líquido cuando se arranca la bomba. Esto puede lograrse colocando una válvula de retención en el conducto de succión, que mantiene el líquido en la bomba cuando el rotor no gira .Si esta válvula pierde, puede ser necesario cebar la bomba introduciendo líquido desde una fuente externa, como el depósito de salida. Por lo general, las bombas centrífugas tienen una válvula en el conducto de salida para controlar el flujo y la presión. En el caso de flujos bajos y altas
presiones, la acción del rotor es en gran medida radial. En flujos más elevados y presiones de salida menores, la dirección de flujo en el interior de la bomba es más paralela al eje del rotor (flujo axial). En ese caso, el rotor actúa como una hélice. La transición de un tipo de condiciones a otro es gradual, y cuando las condiciones son intermedias se habla de flujo mixto . BOMBAS CENTRIFUGA HORIZONTAL. La disposición del eje de giro horizontal presupone que la bomba y el motor se hallan a la misma altura; éste tipo de bombas se utiliza para funcionamiento en seco, exterior al líquido bombeado que llega a la bomba por medio de una tubería de aspiración. Las bombas centrífugas, sin embargo, no deben rodar en seco, ya que necesitan del líquido bombeado como lubricante entre aros rozantes e impulsor, y entre empaquetadura y eje. Como no son auto aspirantes requieren, antes de su puesta en marcha, el estar cebadas; esto no es fácil de conseguir si la bomba no trabaja en carga, estando por encima del nivel del líquido, que es el caso más corriente con bombas horizontales, siendo a menudo necesarias las válvulas de pie, (aspiración), y los distintos sistemas de cebado. Como ventajas específicas se puede decir que las bombas horizontales, (excepto para grandes tamaños), son de construcción más barata que las verticales y, especialmente, su mantenimiento y conservación es mucho más sencillo y económico; el desmontaje dela bomba se suele hacer sin necesidad de mover el motor y al igual que en las de cámara partida, sin tocar siquiera las conexiones de aspiración e Impulsión.
BOMBAS EN PARALELO Se disponen las bombas en paralelo cuando se requiere aumentar el caudal a elevar a una determinada altura Un sistema en paralelo se reconoce por que las bombas se encuentran enfrentadas o no siguen una orientación una tras la otra a diferencia de un sistema en serie 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 proporcionadas por los fabricantes a una velocidad de rotación determinada (N). CURVA DE UN SISTEMA EN SERIE
CURVA DE UN SISTEMA EN PARALELO
PUNTO DE OPERACIÓN DE UNA BOMBA
.
CURVAS DE ISOEFICIENCIA
CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS HIDRÁULICAS. La ciencia de la hidráulica se ha considerado desde los primeros días de la civilización humana. A pesar de su antigüedad, la hidráulica se constituye en una de las ramas de la ingeniería civil con mayor influencia en el desarrollo de las sociedades, porque a diario su utilización es vital para vencer distintos obstáculos o para desarrollar diferentes actividades, sin importar que todavía presente algún grado de incertidumbre. Algunas de las actividades en las cuales se utiliza la hidráulica son por ejemplo la irrigación de cultivos y el suministro de agua para las comunidades en donde se hace indispensable el uso de algunos dispositivos, en los que se encuentra la bomba hidráulica. La definición de una bomba hidráulica que generalmente se encuentra en los textos es la siguiente: "Una bomba hidráulica es un medio para convertir energía mecánica en energía fluida o hidráulica". Es decir las bombas añaden energía al agua. Cuando se pretende desarrollar una clasificación de los diferentes tipos de bombas hidráulicas se debe tener claridad en algunos términos para así poder evaluar los méritos de un tipo de bomba sobre otro. Dichos términos son:
Amplitud de presión: Se constituyen en los límites máximos de presión con los cuales una bomba puede funcionar adecuadamente. Las unidades son Lb/plg2. Volumen: La cantidad de fluido que una bomba es capaz de entregar a la presión de operación. Las unidades son gal/min.
Amplitud de la velocidad: Se constituyen en los límites máximo y mínimo en los cuales las condiciones a la entrada y soporte de la carga permitirán a la bomba funcionar satisfactoriamente. Las unidades son r.p.m. Eficiencia mecánica: Se puede determinar mediante la relación entre el caballaje teórico a la entrada, necesario para un volumen específico en una presión específica y el caballaje real a la entrada necesario para el volumen específico a la presión específica. Eficiencia volumétrica: Se puede determinar mediante la relación entre el volumen teórico de salida a 0 lb/plg 2 y el volumen real a cualquier presión asignada. Eficiencia total: Se puede determinar mediante el p roducto entre la eficiencia mecánica y a la eficiencia volumétrica.
Para que la clasificación de los diferentes tipos de bombas sea más amena se presenta a continuación una tabla donde se muestran los criterios de clasificación de cada una de estas. Amplitud
Amplitud
Eficiencia
Eficiencia Total
BOMBAS
Presión
Volumen
Velocidad
Volum.
Bomba de engrane Baja Presión
0 Lb/plg2
5 Gal/min
500 rpm
80 %
75 – 80 %
Bomba engrane 1500 1500 Lb/plg2 Lb/plg2
10 Gal/min
1200 rpm
80 %
75 – 80 %
Bomba engrane 2000 2000 Lb/plg2 Lb/plg2
15 Gal/ min
1800 rpm
80 - 85% 90 %
Bomba Paleta equilibra. 1000 Lb/plg2
Bomba Pistón Placa empuje angular
1000 Lb/plg2
1.1 – 55 Gal/min
3000 Lb/plg2
2 – 120 Gal/min
1000 rpm
> 90 %
80 – 85 %
90 %
> 85 %
90 %
> 80 %
90 %
> 85 %
1200 – 1800 rpm
5000 Lb/plg2 7.5 – 41 Gal/min
Diseño Dynex
6000 – 8000 Lb/plg2
2.9 – 4.2 Gal/min
1200 – 2200 rpm
Las bombas se clasifican de la siguiente manera: 1. Bombas de volumen fijo o bombas de desplazamiento fijo. Estas bombas se caracterizan porque entregan un producto fijo a velocidad constante. Este tipo de bomba se usa más comúnmente en los circuitos industriales básicos de aplicación mecánica de la hidráulica. 1.1 Bombas de engranes o piñones. La bomba de engranes se denomina también "caballo de carga" y se puede asegurar que es una de las más utilizadas. La capacidad puede ser grande o pequeña y su costo variará con su capacidad de presión y volumen. Además la simplicidad de su construcción permite esta ventaja de precio. Las bombas de engranes exhiben buenas capacidades de vacío a la entrada y para las situaciones normales también son autocebantes; otra característica importante es la cantidad relativamente pequeña de pulsación en el volumen producido. En este tipo de bombas de engrane, el engranado de cada combinación de engranes o dientes producirán una unidad o pulso de presión. 1.1.1 Bombas de engranes de baja presión. Su funcionamiento es a grandes rasgos el siguiente: La flecha impulsora gira, los dos piñones como están engranados, girarán en direcciones opuestas. La rotación es hacia el orificio de entrada desde el punto de engrane. Conforme los dientes de los dos piñones se separan, se formará una cavidad y se producirá un vacío en el orificio de entrada. Este vacío permitirá a la presión atmosférica forzar el fluido al lado de entrada de la bomba. El fluido será confinado en el espacio entre los dientes del engrane. La rotación continuada de los engranes permitirá que el fluido llegue hasta la salida. Una desventaja de este tipo de bombas son los escapes o perdidas internas en la bomba producidas en la acción o esfuerzo para bombear un fluido a presión. El desgaste de este tipo de bombas generalmente es causado por operar a presiones arriba de la presión prevista en el diseño, aunque también puede ser usado por cojinetes inadecuados. 1.1.2 Bombas de engranes de alta presión. Los factores que mejoran la capacidad de una bomba para desarrollar un vacío alto en la admisión, también producirán incrementos muy favorables en la eficiencia volumétrica y total de la bomba.
La capacidad relativamente alta de vacío en la admisión de las bombas de engrane, las ha hecho más adaptables a los problemas que se presentan en el equipo móvil y para minería. 1.1.3 Bombas de engranes de 1500 lb/plg 2 . (Tándem) También se les conoce como bombas de la serie "Comercial D". En este tipo de bombas se incorporan engranes dentados rectificados con acabados lisos y con tolerancias muy cerradas. Estos engranes tienen el contorno de los dientes diseñado para mejorar la eficiencia de la bomba y disminuir el nivel de ruido en la operación. Un mejoramiento adicional se ha logrado machihembrando los engranes con respecto al diámetro y espesor. La aplicación de esta clase de controles de producción, permite el ensamblado de todas las piezas operativas de la bomba con ajustes apretados y produce también los incrementos convenientes de eficiencia. La bomba de la serie D tiene bajas perdidas por escape. La reducción complementaria de escape interior en las caras de los engranes es producida por un dispositivo desarrollado por la compañía Comercial llamado placas de empuje de presión embolsada. La presión embolsada proporcionada por los cierres de bolso permite que floten las placas de empuje y mantengan un contacto uniforme con las caras de los e ngranes. Esta acción es controlada por la presión de bombeo sobre una zona muy pequeña y está indicada para aumentar el esfuerzo de cierre conforme se aumenta la presión de la bomba. El diseño de esta bomba ofrece una ventaja adicional al proporcionar la facilidad de que el volumen producido pueda ser alterado al camb iar el tamaño de los engranes, además mediante la adición de un cojinete central portador y un ensamblado de caja y engranes para cada unidad, hasta seis unidades de bombeo pueden construirse para funcionar con una sola flecha de impulso.
Fig. Bomba de engranes en Tándem Comercial Serie D.
1.1.4 Bomba de engranes de 2000 lb/plg 2.
La bomba Comercial de la serie H está indicada para tener un valor de presión máximo de 2000 lb/plg 2, y para la mayoría de las bombas de la serie H es una versión mejorada y más pesada que la unidad de serie D. Los fundamentos de operación son casi idénticos, pero ninguna de las partes son intercambiables entre estos dos tipos de diseños. El funcionamiento con las cargas mayores a presión de 2000 lb/plg 2, ha exigido el uso de cajas mucho más gruesas y resistentes. El cojinete impulsor principal TIMKEN es el único ofrecido en este tipo de bombas. Los tamaños de engranes y cojinetes han sido aumentados hasta el máximo que el espacio permite, y dichos engranes han sido modificados de la forma de engranes rectos de la serie D a engranes helicoidales. En este tipo de bombas se da la misma atención al acabado y a las tolerancias de tamaños y también se utiliza el diseño de abolsado de la presión, funcionando aún la placa de empuje más pesada como espiga y control de escapes o fugas terminales. Una buena práctica de diseño seria sustituir una unidad de la serie D requerida para trabajar a 1500 lb/plg 2 por una unidad de la serie H y en esta forma se conseguiría tener un sistema más seguro.
Bomba Comercial en Tándem de la Serie H.
1.1.5 Bomba de engranes de 2000 lb/plg 2 – Serie 37-X. Los cambios de diseño en el modelo 37-X confirman la existencia de la zona crítica analizada en relación con los diseños de la serie D y serie H. Cojinetes verdaderamente masivos de trabajo pesado y del tipo de baleros de corona han sustituido a los cojinetes de aguja marcados como inadecuados. Para tener espa cio para estos cojinetes agrandados se ha utilizado un concepto enteramente nuevo sobre el diseño de los engranes para bombas. Los nuevos engranes tienen dientes rectos de tipo involuta. Dichos diente son más pocas en número, cortados más profundamente y más fuertes, entregando más descarga por pulgada de anchura del engrane que los diseños ordinarios o convencionales. Se señala que la bomba 37-X puede constituir un avance importante en el diseño de bombas de engranes. Durante muchos años la debilidad de los cojinetes de las bombas de engranes y las fallas han constituido una plaga a los usuarios de esas
unidades. Deberían realizarse reducciones de vital necesidad en los costos de bombeo hidráulico mediante un decisivo mejoramiento de la duración de los cojinetes de las bombas.
Fig. Bomba Comercial en Tándem de la Serie 37-X.
1.2 Bombas de paletas. 1.2.1 Bombas de paletas desequilibradas o de eje excéntrico. Con este diseño un rotor ranurado es girado por la flecha impulsora. Las paletas planas rectangulares se mueven acercándose o alejándose de las ranuras del rotor y siguen a la forma de la carcasa o caja de la bomba. El rotor este colocado excéntrico con respecto al eje de la caja de la bomba. La rotación en el sentido de las manecillas del reloj del rotor en virtud de la mayor área que hay entre dicho rotor y la cavidad de la caja, producirá un vacío en la admisión y la entrada del aceite en los volúmenes formados entre las paletas. La bomba mostrará desgaste interior de la caja y en las aristas de las paletas, causado por el deslizamiento de contacto entre las dos superficies. Este tipo de bomba tendrá la misma situación en lo que se refiere a la carga sobre los cojinetes que el caso de las bombas de engranes.
Fig. Bomba de Paletas desequilibradas.
1.2.2 Bombas de paletas equilibradas de 1000 lb/plg 2 de presión.(Vickers) La compañía Vickers Incorporated ha sido acreditada por haber desarrollado el diseño de bomba de paletas equilibrada.
El balance hidráulico logrado en este diseño, permite a los cojinetes de las flechas dedicarse a la carga de impulsión de la bomba. La carga hidráulica o de presión esta equilibrada y queda completamente contenida dentro de la unidad de cartucho de la bomba. La unidad de cartucho está compuesta por, dos bujes, un rotor, doce paletas, un anillo de leva y una espiga de localización. El sentido de la operación de esta bomba puede alterarse para ajustarlo a la necesidad que se tenga. Al sustituir el anillo de levas con uno más grande o uno más pequeño, se pueden tener diversos volúmenes de rendimiento o salida de la bomba, pero en ciertas conversiones, el rotor, las paletas y el cabezal también deben cambiarse para acomodar el nuevo anillo. Procurando incorporar un cabezal modificado o corregido y una flecha impulsora, podemos construir una bomba Vickers en Tándem. El tipo de diseño de esta bomba ha gozado de amplia utilización y aceptación en la industria de las máquinas – herramientas y en otras aplicaciones similares de tipo estacionario. 1.2.3 Bombas de Paletas equilibradas de 2000 lb/plg 2 de presión. (Denison) Las bombas de paletas Denison emplean la misma condición de equilibrio descrita en el análisis de las bombas de paletas Vickers mediante la incorporación de dos orificios de admisión o entrada y de dos orificios de salida con una separación de 180. Una diferencia en estos dos diseños consiste en que el valor de la presión máxima sube hasta 2000 lb/plg2 por medio de una construcción más pesada y de la alteración de los diseños de paletas y del rotor para asegurar un contacto adecuado de las paletas en todo tiempo. Esta condición de contacto constante de las paletas con el anillo de levas, permitirá a la unidad funcionar como bomba o como motor sin alteración mecánica. El balance hidráulico de la caja de bombeo y en este caso la carga equilibrada de las paletas, permite a estas bombas funcionar durante periodos más prolongados con condiciones máximas de presión. Las bombas de paletas equilibradas pueden ofrecer el sistema hidráulico más económico utilizable para situaciones en donde el buen diseño no sufre limitaciones por falta de espacio y falta de control operativo y de comprensión de las características de funcionamiento.
Fig. Bomba de Paletas Denison.
1.3 Bombas de pistón Las bombas de pistón generalmente son consideradas como las bombas que verdaderamente tienen un alto rendimiento en las aplicaciones mecánicas de la hidráulica. Algunas bombas de engranes y de paletas funcionarán con valores de presión cercanos a los 2000 lb/plg 2, pero sin embargo, se les consideraran que trabajan con mucho esfuerzo. En cambio las bombas de pistón, en general, descansan a las 2000 lb/plg 2 y en muchos casos tienen capacidades de 3000 lb/plg2 y con frecuencia funcionan bien con valores hasta de 5000lb/plg 2.
1.3.1 Bomba de Pistón Radial. La bomba de pistón radial, aloja los pistones deslizantes dentro de un bloque del cilindro que gira alrededor de un perno o clavija estacionaria o flecha portadora. En las bombas de pistón radial se logra una eficiencia volumétrica alta debido a los ajustes estrechos de los pistones a los cilindros y por el cierre adecuado entre el bloque del cilindro y el perno o clavija alrededor del cual gira. 1.3.2 Bombas de Pistón Axial . Las bombas de pistón axial son las bombas más comunes que se encuentran. Las bombas de pistón axial derivan su nombre del hecho que los pistones se mueven dentro y fuera sobre un plano paralelo al eje de la flecha impulsora. 1.3.3 Bombas de Pistón de Barril angular.(Vickers) Las varillas del pistón van conectadas al pistón con una junta socket de bola y también el bloque del cilindro o barril va conectado a la flecha de impulsión por una junta combinada universal de velocidad constante de tipo Williams.
Las cargas para impulsión de la bomba y las cargas de empuje por la acción del bombeo van soportadas por tres cojinetes de bolas de hilera simple y un cojinete de bolas de hilera doble. El arranque inicial de este tipo de bombas no debe intentarse hasta que su caja se haya llenado de aceite, esto se denomina "cebado". Pero la bomba no se ceba para poder bombear sino para asegurar la lubricación de los cojinetes y de las superficies de desgaste. Este diseño de bomba ha dado un excelente servicio a la industria aeronáutica.
Fig. Bomba Vickers de Pistón de desplazamiento Fijo.
1.3.4 Bomba de Pistón de Placa de empuje angular.(Denison) El diseño de este tipo de bombas incorpora zapatas de pistón qu e se deslizan sobre la placa de empuje angular o de leva. Esta bomba debe llenarse con aceite antes de arrancarla. La contaminación causará raspaduras y pérdida ligera de eficiencia. La falta de lubricación causará desgaste. 1.3.5 Bomba Diseño Dynex. La placa de empuje angular se llama placa excéntrica, dicha placa va acuñada a la flecha impulsora y esta soportada por cuatro hileras de cojinetes de bolas. Las principales cargas de empuje de bombeo están a cargo de cojinetes colocados a cada lado de la placa excéntrica. Este diseño de bomba ha tenido una utilización considerable en el equipo móvil. La compañía fabricante Dynex señala que esta bomba ha mostrado una mayor compatibilidad con respecto al polvo que las bombas normales de pistón. Las bombas Dynex son indicadas como de mejor capacidad para resistir la contaminación del aceite y las ondas de presión mientras trabajan a niveles bajos de ruido y con velocidades altas.
Fig. 9 Bomba de Pistón axial Dynex.
2. Bombas de volumen variable. La acción de bombeo de las bombas de volumen variable es a grandes rasgos similar a la acción de bombeo de las bombas de volumen fijo.
Los volúmenes variables para bombas de engranes únicamente son utilizables si se varía la velocidad de impulsión de la bomba. El factor de escape uniforme prohíbe la eficiencia constante con velocidad variable y elimina a las bombas de engranes para uso potencial de volumen variable. Las bombas de paletas pueden adaptarse para producir volúmenes variables, pero las restricciones de la conversión generalmente lo limitan. Una bomba de paletas de volumen variable no puede ofrecer una carga hidráulica balanceada en la caja interna de bombeo. Los volúmenes variables pueden conseguirse con bombas de paletas si se cambia la excentricidad del anillo de desgaste, en relación al rotor y las paletas. Las bombas de pistón son las mejores adaptadas para diseños de volumen variable, y las bombas axiales de pistón generalmente son consideradas como las más eficientes de todas las bombas, y son por sí solas las mejores para cualquier condición de volumen variable. Las bombas radiales de pistón son también utilizables para producir volúmenes variables.
5.2 CURVAS DE FUNCIONAMIENTO. Curvas de funcionamiento. 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 proporcionadas por los fabricantes a una velocidad de rotación determinada (N). Se representan gráficamente, colocando en el eje de abscisas 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·Q2 H = a + c · Q2 Las curvas características H-Q, típicas de los 3 grupos de bombas vienen indicadas en las siguientes figuras.
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.
Curva rendimiento-caudal. El rendimiento de la bomba o rendimiento global es la relación entre la potencia útil o hidráulica 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). La curva característica rendimiento-caudal para tres tipos de bombas distintas le puede ver en la figura 7.13. En general la curva del rendimiento tipo:
podrá ajustarse a una expresión del
El rendimiento es nulo para un caudal nulo y para un caudal máximo. Entre ambos el rendimiento varía, alcanzando el máximo en un punto cor respondiente 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:
Dónde: P = potencia bomba (w) = peso específico (N/m 3) Q = caudal (m 3/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.
Dónde: 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. 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 (NPSHr)-Caudal.
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 anterior. En la figura 7.15 se representa las curvas de igual rendimiento en el diagrama Altura-Caudal para distintas velocidades de giro del rotor. Este gráfico, por tanto, nos suministra 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 %.
La altura de elevación de una bomba rotodinámica depende fundamentalmente del caudal que circula por ella, lo que quiere decir que va a estar definida por su acoplamiento con el sistema. Si se considera la bomba de forma aislada, la curva que representa la altura proporcionada por la bomba en función del caudal se llama curva característica.
La figura muestra una curva característica típica de una bomba centrífuga, y la figura la de una bomba axial. La pendiente de ambas curvas es negativa, lo que quiere decir que cuanto mayor sea la altura que el sistema exija, menor es el caudal que la bomba puede proporcionar. Algunas bombas tienen curvas H-Q con pendiente positiva en la zona de caudales inferiores. Es conveniente alejarse de esas zonas porque se puede producir un funcionamiento inestable de la instalación. La potencia requerida por la bomba también depende del caudal. Tiende a aumentar con él en las bombas centrífugas y a disminuir en las axiales. La potencia hidráulica, es decir, la suministrada por la bomba al fluido, es: PotH = ρ g Q H Y el rendimiento de la bomba viene definido por: Donde PotB es la potencia que consume la bomba. El rendimiento es máximo en el punto llamado de diseño de la bomba, y disminuye tanto para caudales superiores como inferiores. Normalmente, tanto la potencia como el rendimiento se refieren únicamente a la bomba, sin tener en cuenta el motor que se utiliza para accionarla. Los valores máximos de rendimiento se encuentran entre el 85 y el 90% Las curvas de acutación 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 qu e 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 ordenadas desde el máximo de la curva de eficiencia se encuentra la altura óptima de bombeo para el caudal deseado.
Curvas características. En el caso de una sola bomba, la relación entre el gasto Q, la carga H , la velocidad de rotación N , la potencia W suministrada por la bomba y el número de impulsores puede ser establecida como: (a) En una etapa dada, Q varía directamente en relación al número de impulsores en paralelo; (b) A una velocidad cono cida, H varía directamente al número de impulsores en serie, es decir, el número de etapas; (c) Para velocidad variable, Q ∝ N , H ∝ N2 , y W ∝ H3. En la práctica, sin embargo, estas relaciones no se ajustan bien.
Curvas características La eficiencia de las bombas rotodinámica es descrita a través de curvas características (figura 3.2), en la cual la carga H , potencia W y la eficiencia de la bomba son graficados contra el gasto Q. También se ha trazado la curva de carga del sistema, una suma de la carga estática y las pérdidas. El punto de intersección de la curva carga-gasto y la curva de carga del sistema determina el punto de operación. La bomba debe ser seleccionada de tal manera que su eficiencia sea tan alta como sea posible en un amplio rango de condiciones de operación. La descarga de la bomba puede ser regulada (a) por una válvula en el tubo de descarga; (b) variando la velocidad de la bomba, o (c) teniendo diferentes combinaciones de bombas. Las bombas pueden ser combinadas para que trabajen en serie o en paralelo. En serie se suman las cargas, mientras que en paralelo se suman los gastos.
Se utilizan combinaciones de bombas en edificios altos donde el agua es elevada por etapas a los puntos más altos por medio de rebombeos en pisos intermedios. Así se reduce la presión en tubos y carcasas de las bombas de los pisos más bajos. La combinación de bombas en paralelo es más común cuando las bombas surten agua variando en cantidad (de la demanda mínima a la máxima) y carga (fuente en alto nivel y almacenamiento vacío a fuente a bajo n ivel y almacenamiento casi lleno). La figura muestra las curvas gasto-carga para una combinación de tres bombas en paralelo. Se pueden instalar bombas con diferentes capacidades para que durante su operación se realicen diferentes combinaciones para obtener máxima eficiencia.
5.3.- SELECCION DEL EQUIPO DE BOMBEO Para la elección de un equipo de bombeo adecuado se tendrán en cuenta los siguientes factores : -- Caudal que se pretende extraer. -- Altura de elevación máxima prevista -- Diámetro del entubado del pozo Grupos moto -Bomba para extraer agua de un pozo o sondeo es necesario utilizar una bomba que se ajuste a las condiciones específicas de cada caso. Los grupos moto bomba pueden ser de tres tipos:
-- Alternativos. - Rotativos. - Centrífugos. Las bombas alternativas de émbolo o pistón son máquinas prácticamente en desuso en el campo de la hidrología. Este tipo de máquina puede extraer pequeñios caudales con alturas de elevación importantes. Su funcionamiento consiste en un movimiento alternativo y rectilíneo de un pistón que empuja al líquido a elevar hasta la cámara de alta presión. El caudal elevado por este tipo de máquina puede calcularse mediante la aplicación de la fórmula: siendo w u la sección del émbolo en dm*, d. la carrera o desplazamiento en dm, y un» las r.p.m. La curva característica caudal-altura es una recta casi paralela al eje donde se representen las altura- Las bombas rotativas tienen un funcionamiento semejante a las alternativas de émbolo. Su curva característica (h - Q) es teóricamente paralela al eje de alturas; es decir, están específic0amente di seriadas para dar un caudal casi invariable, dentro de un reducido abanico de alturas
5.4.1 GOLPE DE ARIETE El golpe de ariete o pulso de Zhukowski (llamado así por el ingeniero ruso Nikolái Zhukovski) es, junto a la cavitación, el principal causante de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas. Se denomina golpe de ariete al choque violento que se produce sobre las paredes de un conducto forzado, cuando el movimiento líquido es modificado bruscamente. En otras palabras, el golpe de ariete se puede presentar en una tubería que conduzca un líquido hasta el tope, cuando se tiene un frenado o una aceleración en el flujo; por ejemplo, el cambio de abertura en una válvula en la línea. 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, cuando 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 se desplaza por la tubería a una velocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido. Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando todo el fluido que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal. Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda
de presión en el sentido contrario. El fluido se desplaza en direcc ión contraria, pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el fluido puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubería, si la onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica, se reflejará siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresión del fluido y la dilatación de la tubería. 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: 1. es la velocidad de la onda (velocidad relativa respecto al fluido) de sobrepresión o depresión. 2. es la velocidad media del fluido, en régimen. 3. es la aceleración de la gravedad.
A su vez, la velocidad de la onda se calcula como: Donde: 1. es el módulo elástico del fluido, 2. es la densidad del fluido, 3. es el módulo de elasticidad (módulo de Young) de la tubería que naturalmente depende del material de la misma, 4. Es el espesor de las paredes de la tubería, 5. Es el diámetro de la tubería. 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: 1. 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.
Consecuencias Este fenómeno es muy peligroso, ya que la sobrepresión generada puede llegar a entre 60 y 100 veces la presión normal de la tubería, ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos (grifos, válvulas, etc). La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud del conducto, ya que las ondas de sobrepresión se cargarán de más energía, e inversamente proporcional al tiempo durante el cual se cierra la llave: cuanto menos dura el cierre, más fuerte será el golpe. El golpe de ariete estropea el sistema de abastecimiento de fluido, a veces hace reventar tuberías de hierro colado, ensancha las de plomo, arranca codos instalados, etc., DISPOSITIVOS PARA CONTROLAR EL GOLPE DE ARIETE. Para evitar este efecto, existen diversos sistemas: Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de válvulas, hay que estrangular gradualmente la corriente de fluido, es decir, cortándola con lentitud utilizando para ello, por ejemplo, válvulas de asiento. Cuanto más larga es la tubería, tanto más tiempo deberá durar el cierre. Sin embargo, cuando la interrupción del flujo se debe a causas incontrolables como, por ejemplo, la parada brusca de una bomba eléctrica, se utilizan tanques neumáticos con cámara de aire comprimido, torres piezométricas o válvulas de muelle que puedan absorber la onda de presión, mediante un dispositivo elástico. Otro método es la colocación de ventosas de aireación, preferiblemente trifuncionales(estos dispositivos son para disminuir otro efecto que se producen en las redes de agua o de algún otro fluido parecido al desalojarlo del sistema mas no es propio del fenómeno del golpe de ariete) Función: introducir aire cuando en la tubería se extraiga e l fluido, para evitar que se generen vacíos; Función: extracción de grandes bolsas de aire que se generen, para evitar que una columna de aire empujada por el fluido acabe reventando codos o, como es más habitual en las crestas de las redes donde acostumbran a a cumularse las bolsas de aire; función: extracción de pequeñas bolsas de aire, debido a que el sistema de las mismas ventosas por lado tienen un sistema que permite la extracción de grandes cantidades y otra vía para las pequeñas bolsas que se puedan alojar en la misma ventosa. Otro caso común de variación brusca de la velocidad del flujo en la tubería se da en
las centrales hidroeléctricas, cuando se produce una caída parcial o total de la demanda. En estos casos tratándose de volúmenes importantes de fluido que deben ser absorbidos, se utilizan en la mayoría de los casos torres piezométricas, o chimeneas de equilibrio que se conectan con la presión atmosférica, o válvulas de seguridad. Golpe de ariete Cuando todo el fluido que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal. Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. El fluido se desplaza en dirección contraria pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el fluido puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubería, si la onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica, se reflejará siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresión del fluido y la dilatación de la tubería. 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
, Dónde: 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:
Dónde: 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 Aleleví:
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“La cavitación” La cavitación es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido, en determinadas condiciones, pasa a estado gaseoso y unos instantes después pasa nuevamente a estado líquido. ¿Cuándo puede haber cavitación? La cavitación es un fenómeno muy frecuente en sistemas hidráulicos donde se dan cambios bruscos de la velocidad del líquido.
Ejemplos: En partes móviles: • Álabes de turbinas • Rodetes de bombas • Hélices de barco En partes no móviles: • Estrangulamientos bruscos • Regulación mediante orificios • En válvulas reguladoras
¿Cuáles son los efectos de la cavitación? • Ruidos y golpeteos. • Vibraciones. • Erosiones del material (daños debidos a la cavitación). El fenómeno de la cavitación, definido de manera sencilla como la formación de burbujas en un líquido, puede tener efectos negativos en una bomba hidráulica. En un sistema hidráulico mal diseñado, se puede generar un vacío que permite que el aire encerrado en el fluido sea extraído, formándose así pequeñas burbujas. Una variedad de factores en el sistema podrían generar ese vacío. Cuando el fluido entra a la bomba y es comprimido, las pequeñas burbujas implosionan a nivel molecular. Cada una de estas implosiones son más fuertes de lo que pensamos y pueden llegar a remover material interno de la bomba hasta impedir el funcionamiento apropiado de la misma. La cavitación puede destruir equipo nuevo en minutos, dejando signos de daños físicos incluyendo patrones específicos. El proceso de destrucción por cavitación tiene además un sonido característico similar al de un gruñido. Las buenas noticias son que éste fenómeno no tiene que ser un problema común en sistemas hidráulicos. Algunas fallas de diseño son las responsables de causar cavitación: configuración errónea de líneas de succión de bombas y la utilización de filtros o mallas de succión. Para prevenir éstas causas de cavitación y asegurarnos que diseñamos un sistema con una vida útil larga y productiva, siete elementos deben ser correctamente ejecutados: 1. Diseñar el tanque correctamente, 2. Utilizar un filtro de respiradero en el tanque,
3. Instalar líneas de succión dimensionadas y configuradas correctamente, 4. Remover filtración en la línea de succión, 5. Utilizar una bomba correctamente dimensionada, 6. Mantener una temperatura adecuada del fluido, 7. Utilizar una succión con presión positiva.
¿Qué da inicio a la cavitación? Figura : Daños por cavitación en el plato de control de una bomba de pistones axiales. Note como empieza al final de la zona de transición y se propaga a través de la zona de alta presión.
Como se mencionó anteriormente, las causas principales de la cavitación en un sistema hidráulico son la configuración incorrecta de líneas de succión y el uso de filtros o mallas en ésta. Cuando configuramos una línea de succión, se debe hacer minimizando la caída de presión a la entrada de la bomba. La estrategia principal para lograr esto es de especificar mangueras lo más cortas posible y el menor número de conexiones a la entrada. A la hora de diseñar circuitos hidráulicos, los ingenieros generalmente se olvidan de considerar el largo de las mangueras requeridas para conectar la bomba a tanque. Mientras más largo es el camino que tiene que recorrer el fluido hidráulico, mayor será la caída de presión. Adicionalmente a esto, cada conector que utilizamos en una manguera le agrega pérdidas a la línea, aumentando así el riesgo de cavitación. Además de configurar erróneamente las líneas de succión de las bombas, la utilización de filtros o mallas de succión pueden ser una causa de la cavitación.
Estos filtros son frecuentemente instalados por debajo del tanque, por lo que rara vez se les hace servicio debido a lo inconveniente de su ubicación. Con ésta configuración, el tanque completo debe ser drenado y desarmado para alcanzar el filtro, por lo que la tarea es generalmente olvidada. A medida que el filtro se llena de partículas, restringirá el flujo de aceite a la bomba y se producirá la cavitación. Estos casos de cavitación pueden ser prevenidos utilizando una serie de prácticas correctas basadas en las necesidades específicas y funciones de un sistema hidráulico. Muchos sistemas son únicos, por lo que se requiere de un ingeniero con experiencia para que se cerciore de la correcta instalación y mantenimiento del sistema hidráulico.
Diseño correcto de un reservorio Las burbujas de aire en el fluido hidráulico se originan en el reservorio. Aceite nuevo que sea introducido en el mismo puede causar un flujo turbulento, lo que revuelve el aceite e introduce aire en el mismo, cosa que pueda conllevar a la cavitación. Un tanque correctamente diseñado prevendrá este problema. La mejor manera de prevenir flujo turbulento cuando retorna aceite al tanque es utilizando tubos de llenado, o aquéllos que se extienden hasta el fondo del tanque, de manera que el fluido de retorno ingrese por debajo del existente. Además de esto, el tanque debería contar con deflectores que dividen el aceite caliente que retorna a tanque y el que se encuentra listo para ingresar a la bomba. Es importante que el acete repose lo suficiente en el tanque de manera que los sólidos precipiten al fondo y las burbujas de aire suban a la superficie, de man era que cualquier fluido retirado del mismo esté libre de estos elementos. El tamaño del tanque y la cantidad de fluido que debe re posar antes de ser extraído depende del caudal. La recomendación es la de considerar una relación de 4:1
entre el volumen del tanque y el caudal. Esto garantiza que la bomba reciba aceite limpio y que éste repose lo suficiente para las impurezas se limpien y se disipe el aire.
Utilice un filtro de respiradero Esta imagen muestra el inicio del daño causado por cavitación en un plato de control de una bomba de pistones axiales.
Además de diseñar el tanque correctamente, la inclusión de los accesorios correctos es importante para asegurar la funcionabilidad. El filtro de respiradero es quizás el accesorio más importante para mantener las condiciones ideales del fluido hidráulico en el tanque. Cuando la bomba succiona fluido del tanque y una cantidad igual no retorna al mismo, el nivel baja. Para regular la presión y evitar que se forme un vacío, se d ebe introducir aire al tanque para que ocupe el volumen adicional creado al removerse el fluido. Un filtro de respiradero desempeña esta función que ayuda a evitar la cavitación.
Incluya líneas de succión apropiadas Como ya sabemos, el diseño y configuración incorrecta de líneas de succión es la causa principal de la cavitación en un sistema hidráulico. Por esto, es crucial que apliquemos prácticas de diseño apropiadas en el momento de configurar las
mismas: dimensionamiento adecuado, minimizar la presencia de conectores en la línea y dimensionar la válvula de bola adecuada para manejar el caudal requerido. La línea debe ser lo suficientemente grande como para que fluya la cantidad de líquido requerida. Como la bomba debe contar con un suministro constante de aceite, resulta obvio que una línea sub-dimensionada no permita que esto ocurra. Las especificaciones precisas en cuanto a longitud y diámetro de líneas de succión no pueden ser determinadas a la ligera – se requiere de un ingeniero con el conocimiento suficiente del proceso en cuestión para tomar la decisión correcta. Otra práctica a considerar en la configuración de líneas de succión es la de incluir un seguro en la válvula de bola que prevenga el cierre accidental de la misma durante la operación de la bomba, ya que en caso de que esto ocurriese, habrían efectos perjudiciales en el sistema.
Elimine Filtros de Succión a los sistemas de filtración ubicados dentro del tanque son incómodos y difíciles de mantener, muchas veces resultando esto en líneas tapadas que limitan el flujo de aceita hacia la bomba y generan daños severos. Por esto recomendamos dejar las líneas de succión sin filtro. Se puede compensar la falta con filtración adicional en el circuito hidráulico, por ejemplo: el aceite puede ser filtrando al entrar en el reservorio en lugar de hacerlo cuando salga del mismo. También se puede utilizar un sistema de filtración fuera de línea (riñoneras) de manera de retirar el aceite del tanque, filtrarlo, y reinyectarlo antes de ser extraído por la bomba hidráulica. Estas soluciones facilitan el mantenimiento y reducen las posibilidades de falla.
Dimensione correctamente la bomba.Un aspecto clave en sistemas hidráulicos es el dimensionamiento correcto de la bomba. De nuevo, la decisión debe ser hecha por un ingeniero con experiencia que entienda el proceso en su totalidad. El tamaño
de una bomba puede ser determinado incorporando un número de variables en una ecuación estándar, mientras se consideran aspectos únicos de la aplicación.
Mantenga la temperatura del fluido apropiada Otro elemento clave en un sistema hidráulico es el de mantener la temperatura del fluido a niveles apropiados. Si el mismo se enfría mucho, se vuelve muy viscoso, lo que aumentaría la caída de presión en las líneas y eventualmente podría desencadenar en cavitación en la bomba. Por otro lado, un fluido sobrecalentado perdería mucha viscosidad, lo que comprometería su capacidad de lubricación de la bomba. Para regular la temperatura del fluido, intercambiadores de calor pueden ser colocados en el tanque para mantener el fluido a la temperatura ideal.
Proporcione presión positiva a la succiónLa mayoría de los sistemas utilizan un diseño de succión con presión positiva, lo que significa que la bomba está ubicada por debajo del nivel del aceite. El mismo sale del reservorio por encima de la bomba, lo que implica que se aprovecha la gravedad para generar presión a la succión. La alternativa a éste arreglo es una succión regular, en la que la bomba se ubica por encima del tanque. Esta configuración es utilizada para ahorrar espacio en un sistema con una huella limitada, pero resulta en varias limitaciones: la bomba tiene que trabajar extra en generar el vacío para extraer el aceite del tanque contra la gravedad, esto inherentemente implica una restricción en la succión. Además existen muchas bombas que no funcionan a nivel óptimo cuando no cuentan con succión positiva. En estos casos se puede utilizar una bomba de pre-carga en la línea de succión. Si cada uno de estos elementos son considerado s al momento de diseñar un sistema hidráulico, los riesgos de dañar o destruir la bomba hidráulica podrían reducirse considerablemente.
LA 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. Es un proceso físico que es muy parecido al de la ebullición, la diferencia es que la cavitación es causada por una caída de la presión local por debajo de la presión de vapor mientras que la ebullición lo hace por encima de la presión ambiente local.
PROBLEMAS DE LA CAVITACION EL LA INGENIERIA Las disgregaciones son roturas que se producen en el interior del hormigón por tracciones internas que el hormigón no puede resistir. Pueden producirse por causas muy diversas. .Las acciones de tipo físico que pueden deteriorar al hormigón dando lugar a su desgaste superficial o a su pérdida de integridad o disgregación pueden ser de diferentes tipos tales como: hielo y deshielo; abrasión, cavitación y choques térmicos. Desgaste superficial por cavitación El fenómeno de cavitación ataca a la superficie del hormigón en forma de picaduras que posteriormente se unen en zonas erosionadas amplias. Se trata de un arrancamiento progresivo del hormigón. Uno de los cuidados que debe tener un ingeniero (Principalmente cómo ocurre en el hormigón o concreto). Al seleccionar, las parte de una estación de bombeo, es la cavitación, este fenómeno producido normalmente en las salidas de los alabes del rotor de una bomba y en las paredes de la tubería es desfavorable, debido a que causa daños y aumenta el costo de mantenimiento. Por esta razón el presente trabajo tratara de exponer en sus posibilidades de una manera clara y amplia el fenómeno de la cavitación.
En la ingeniería naval se estudia el fenómeno, para el diseño de todo tipo de barcos debido a que acorta la vida útil de algunas partes tales como las hélices y los timones. En los submarinos, este efecto es todavía más estudiado, evitado e indeseado, puesto que imposibilita a estos navíos de guerra mantener sus características operativas de silencio e indetectabilidad por las vibraciones y ruidos que la cavitación provoca en el casco y las hélices. El colapso de las cavidades supone la presencia de gran cantidad de energía que puede causar enorme daño. La cavitación puede dañar casi cualquier material. Las picaduras causadas por el colapso de las cavidades producen un enorme desgaste en los diferentes componentes y pueden acortar enormemente la vida de la bomba o hélice. La creación y posterior colapso de las burbujas crea fricción y turbulencias en el líquido. Esto contribuye a una pérdida adicional de rendimiento en los dispositivos sometidos a cavitación. La cavitación se presenta también en el fondo de los ríos donde se genera a partir de irregularidades del lecho disociando el agua y el aire. Ambos son sometidos a presiones, dando lugar, este último, a burbujas que, con la fuerza del agua, se descomponen en tamaños microscópicos, saliendo disparadas a gran velocidad. Esto provoca un fuerte impacto en el lecho que puede ser de hasta 60 t/m². Su importancia radica en la constancia y repetición del fenómeno, lo que favorece su actuación. La cavitación es un proceso erosivo frecuente en los pilares de los puentes. La cavitación, ocurre en el momento en que un líquido es sometido a una presión (P1) igual o menor que su presión de vaporización (Pv) instantes después es regresado a una presión mayor (P2), a la presión de vapor de este. En el intervalo de estos dos sucesos se forman pequeños burbujas de estado gaseosos, las cuales al ser comprimidas por la presión mayor (P2), dejan un espacio ocasionando que las pequeñas partes en estado líquido se aceleren y choquen unas con otras. Además se sabe que los árboles succionan la savia sometiéndolas a esfuerzos de tensión, pero nadie ha podido explicar este fenómeno, sin embargo si sometemos un líquido a esfuerzos de tensión reduciéndole la presión entrara en ebullición si esta es demasiada baja, de ahí la importancia de cuidar la presión de succión en las bombas. En la naturaleza el mercurio es uno de los metales líquidos más excepcionales debido entre otras cosas a su punto de evaporización en 20 ºC ocurre a 0.168 Pal,
debido a esto es que es muy aplicado en la instrumentación porque su punto de vaporización está muy bajo, comparado con el del agua el cual ocurre en la misma temperatura a 2337 Pal, sin embargo por ser este último el fluido más común vale la pena realizar un análisis de las condiciones de trabajo de este con el fin de evitar en las bombas una presión menor a la de vaporización.
EFECTOS DE LA CAVITACION Como ya se ha mencionado la cavitación ocurre en las bombas, aunque también sucede en los ductos sobre todo donde se encuentran reducciones seguidas de ampliaciones bruscas, (tubos venturi) estos efectos se pueden transmitir a las demás partes del equipo de bombeo reduciendo la eficiencia y pudiendo causar serios daños como la corrosión de partículas de metal (pitting) Cuando las burbujas de vapor se implotan se produce una especie de martilleo lo que produce un deterioro en las paredes de la carcaza, de las palas del impulsor el cual el daño está en función de la proximidad en que se encuentran estas implosiones.
LOS EFECTOS QUE TIENE SOBRE LA MAQUINARIA DE BOMBEO SON: EFECTO MECANICO: Con las implosiones se decrecen los diámetros de las burbujas, las partículas en estado líquido se aceleran y se desplazan hacia el centro de estas burbujas chocando entre sí, estos choques provocan sobrepresiones (golpe de ariete) que se propagan en todas las direcciones afectando pr incipalmente a las ranuras de las superficies metálicas por lo que en muy poco tiempo pueden ocasionar daños a la estructura de la maquina (rotor). Los golpeteos los cuales al ser muy fuertes dan la impresión que la bomba acarrea grava causan un desequilibrio en la maquina dañando las uniones de los tubos con esta, así como aflojan las partes que la sostienen. Además los martilleos en ocasiones son tan fuertes que producen ruidos los cuales pueden ser molestos durante la operación de la bomba. Y el problema y quizás el más importante es el de la reducción de la eficiencia de la bomba con el cual el nosotros como futuros ingenieros estamos obligados a seleccionar o diseñar de la manera más eficiente, con lo cual debemos de tener un criterio amplio para evitar el fenómeno de la cavitación. Entre las bombas más susceptibles a este fenómeno están las que tiene lados convexos y sobre todo en la parte trasera en donde pueden tener un área localizada que propicie la cavitación. EFECTO QUIMICO: Con la implotación de las burbujas se liberan iones de oxigeno que como sabemos atacan las superficies de los metales.
NATURALEZA DE LA CAVITACIÓN Actualmente se sabe que la cavitación es debida principalmente a la acción mecánica de impactos rápidos, a manera de explosiones de las partículas de líquido, aunque no se descarta la posibilidad de acción química corrosiva, cuya naturaleza no se ha llegado a dilucidar por completo. Los impactos que se generan son periódicos, es decir, se produce un fenómeno vibratorio que aumenta la erosión del material por fatiga. DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO La cavitación se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo admisible. Esta baja que sufre la presión es debida a los efectos dinámicos de un líquido al escurrir, siguiendo fronteras curvas o alrededor de cuerpos sumergidos. El fenómeno consiste en un cambio rápido y explosivo d e fase líquida a vapor. Si el líquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, éste hierve y forma burbujas. Estas burbujas son transportadas por el líquido hasta llegar a una región de mayor presión, donde el vapor regresa al estado líquido de manera súbita aplastándose bruscamente las burbujas. Este fenómeno se llama CAVITACIÓN Cuando un líquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, el líquido hierve y forma burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando cambian de estado, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy alto, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida. El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina.
Cuando por culpa de girar muy rápido, o por exceso de velocidad del barco, la presión de la cara anterior de la hélice (la que está más a proa) decae a valores muy pequeños. En estas condiciones, en la zona con depresión se forman burbujas de vapor por culpa del vacío que se ha creado. ¡El agua verdaderamente hierve pero a temperatura ambiente! Cuando las burbujas de vapor que se han creado (por ejemplo en un milisegundo o de forma casi instantánea) salen de esta zona de la hélice y vuelven a una zona con presión normal, se colapsan y se condensan otra vez en líquido. Durante el proceso de condensación este colapso es muy violento produciendo vibraciones ruidos y pérdidas de prestaciones. La cavitación puede estropear fácilmente una hélice, mellando sus bordes de ataque, doblando las palas o picando su superficie. Cuando existe cavitación en sus aplicaciones, Se perciben los síntomas: sonido alto y seco que le avisa que algo anda mal. Cavitación no es solo aquel sonido fastidioso. A medida que el tiempo pasa, la cavitación desgasta la válvula, destruyéndola lentamente por dentro requiriendo reparaciones que involucran que la válvula quede fuera de servicio y gastos significantes. Aunque la cavitación es un fenómeno indeseable en la mayoría de las circunstancias, esto no siempre es así. Por ejemplo, la supecavitación tiene aplicaciones militares como por ejemplo en los torpedos de supercavitación en los cuales una burbuja rodea al torpedo eliminando de esta manera toda fricción con el agua. Estos torpedos se pueden desplazar a altas velocidades bajo el agua, incluso hasta a velocidades supersónicas. La cavitación puede ser también un fenómeno positivo en los dispositivos de limpieza ultrasónica. Estos dispositivos hacen uso de ondas sonoras ultrasónicas y se aprovechan del colapso de las burbujas durante la cavitación para la limpieza de las superficies SUPERCAVITACION
Propulsar un cuerpo bajo el agua necesita gran cantidad de energía. Desplazándose rápidamente aún consume más energía pues la resistencia al avance del agua contra una superficie sumergida aumenta con la velocidad. Los ingenieros navales constantemente tratan de mejorar los cascos de los barcos con el objetivo de minimizar la fricción del agua. Los científicos han hallado una nueva forma de evitar la resistencia al avance del agua, lo que permite desplazarse a alta velocidad. La idea es minimizar la superficie húmeda del cuerpo en movimiento encerrándolo en una burbuja de gas de baja densidad. La supercavitación es la versión extrema de la cavitación en la que se forma una única burbuja de manera que envuelve el objeto en desplazamiento casi por completo. Un cuerpo con supercavitación tiene una resistencia extremadamente baja, porque la fricción sobre su superficie es casi inexistente. En lugar de estar rodeado de agua, se rodea del vapor del agua que se forma en la burbuja. Como el vapor tiene una densidad y viscosidad mucho menor que el agua líquida, el cuerpo puede avanzar mucho más rápido. La supercavitación es difícil de obtener, el cuerpo que quiera usarla debe estar moviéndose a una gran velocidad: al menos 180 km/h, según algunos expertos. Esa es una velocidad muy superior a la que se obtiene en cuerpos que actualmente se mueven en el agua. Por otra parte, la forma de la cabeza también tiene que ser diferente, debería ser chata. Así a grandes velocidades el fluido es forzado a moverse desde el borde de la cabeza con tanta velocidad, en un ángulo especial, que no toca la superficie del cuerpo. Por eso, en un cuerpo supercavitatorio, solamente la cabeza causa una resistencia significativa, ya que es la única parte que está en contacto real con el agua líquida. Sin embargo, estamos ante una paradoja: cuando más chata sea la cabeza, más alta será la resistencia. Es por eso que hay que conseguir un punto medio, y las mejores cabezas son las que están ligeramente curvadas. El asunto es que la resistencia general se reduce enormemente una vez que se alcanza un régimen de supercavitación, y luego aumenta linealmente con la velocidad (y no geométricamente). Mucha de la teoría todavía no está en papel, ya que se trata de cálculos muy complicados.
Bombas y hélices Desgaste producido por la cavitación en un rodete de una bomba centrífuga
Otro ejemplo de desgaste producido por la cavitación en un rodete de una bomba centrífuga .
Los álabes de un rodete de una bomba o de la hélice de un barco se mueven dentro de un fluido, las áreas de bajas presiones se forman cuando el fluido se acelera a través de los álabes. Cuanto más rápido se mueven los álabes menor es la presión alrededor de los mismos. Cuando se alcanza la presión de vapor, el fluido se vaporiza y forma pequeñas burbujas de vapor que al colapsarse causan ondas de presión audibles y desgaste en los álabes.
La cavitación en bombas puede producirse de dos formas diferentes: Cavitación de succión La cavitación de succión ocurre cuando la succión de la bomba se encuentra en unas condiciones de baja presión/alto vacío que hace que el líquido se transforme en vapor a la entrada del rodete. Este vapor es transportado hasta la zona de descarga de la bomba donde el vacío desaparece y el vapor del líquido es de nuevo comprimido debido a la presión de descarga. Se produce en ese momento una violenta implosión sobre la superficie del rodete. Un rodete que ha trabajado bajo condiciones de cavitación de succión presenta grandes cavidades producidas por los trozos de material arrancados por el fenómeno, esto origina el fallo prematuro de la bomba. Cavitación de descarga La cavitación de descarga sucede cuando la descarga de la bomba está muy alta. Esto ocurre normalmente en una bomba que está funcionando a menos del 10% de su punto de eficiencia óptima. La elevada presión de descarga provoca que la mayor parte del fluido circule por dentro de la bomba en vez de salir por la zona de descarga, a este fenómeno se le conoce como "slippage". A medida que el líquido fluye alrededor del rodete debe de pasar a una velocidad muy elevada a través de una pequeña apertura entre el rodete y el tajamar de la bomba. Esta velocidad provoca el vacío en el tajamar (fenómeno similar al que ocurre en un venturi) lo que provoca que el líquido se transforme en vapor. Una bomba funcionando bajo estas condiciones muestra un desgaste prematuro del rodete, tajamar y álabes. Además y debido a la alta presión de funcionamiento es de esperar un fallo prematuro de las juntas de estanqueidad y rodamientos de la bomba. Bajo condiciones extremas puede llegar a romperse el eje del rodete. Plantas La cavitación puede aparecer en el xilema de las plantas cuando el potencial del agua se hace tan grande que el aire disuelto dentro del agua se expande hasta llenar la célula de la planta. Las plantas generalmente son capaces de reparar los daños producidos por la cavitación, por ejemplo con la presión de bombeo de las raíces, en otro tipo de plantas como las vides la cavitación puede llevarlas a la muerte. En algunos árboles la cavitación es claramente audible.
BLIBLIOGRAFIA: http://www.hydraulicspneumatics.com/blog/cavitaci-n-en-un-sistema-hidr-ulico
