Bombas Hidraulicas-ejercicios

Parte 2

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Bombas centrífugas  Se pueden clasificar de diversas maneras I Según la dirección del flujo II Según la dirección del eje III Según el n° de etapas IV Según tipo de succión V Según el motor VI Según forma de la caja VII Según su empleo VIII Según el material de construcción EIQ_303

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Bombas centrífugas  I Según la dirección del flujo

Flujo radial:  el movimiento del fluido se efectúa desde el centro hacia la periferia de la bomba.  El fluido entra por el ojo de la bomba, gira 90° a encontrarse con el rodete y sale por la periferia lanzado por el rodete. Flujo axial:  Al entrar el líquido a la bomba, se encuentra con el rodete el cual lo impulsa en la misma dirección. Flujo mixto:  El movimiento es en parte radial y en parte axial. EIQ_303

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Bombas centrífugas  II

Según la dirección del eje

 Verticales  Horizontales

 III Según el n° de etapas  De una etapa  Multietapas

 IV Según tipo de succión  Succión simple  Doble succión (en las dos caras del rodete) EIQ_303

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Bombas centrífugas  V

Según el motor

 Eléctricas  A turbina  A motor

 VI

Según forma de la caja

 Voluta  Con difusor

 VII Según su empleo  De servicio general  Bombas químicas

 VIII Según el material de construcción EIQ_303

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Bombas centrífugas

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BOMBAS CENTRÍFUGAS: Consta de un rotor o impulsor Que gira en el interior de una carcaza por medio de un motor eléctrico externo acoplado a su eje El diseño del rotor puede variar pero generalmente consta de unas aspas rectas o curvadas hacia atrás El líquido entra por la parte central del rotor y es impulsado hacia la periferia por la fuerza centrífuga que se genera cuando el rotor gira. EIQ_303

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Bombas centrífugas  Partes principales:

a) Rodete: Abiertos: para flujos pequeños, bajas alturas y para fluidos con sólidos en suspensión Semiabiertos: propósito general Cerrados: altas presiones

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Bombas centrífugas  El rodete se distinguirá por el tipo de aleta del que esté

provisto.

b) Tipos de aletas 1.- Aleta recta 2.- Aleta curvada hacia adelante 3.- Aleta curvada hacia atrás

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La bomba centrífuga A medida que el impulsor gira, a través del ojo de la caja, se aspira aire que fluye radialmente hacia afuera. Las aspas giratorias entregan energía al fluido, y tanto la presión como la velocidad absoluta aumentan a medida que el fluido circula del ojo hasta la periferia de las aspas. La forma de la carcasa está diseñada para reducir la velocidad a medida que el fluido sale del impulsor, y esta disminución de energía cinética se convierte en un aumento de presión.

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La bomba centrífuga Los álabes directores del difusor desaceleran el flujo a medida que el fluido es dirigido hacia la caja de la bomba.

Los impulsores pueden ser de dos tipos: abiertos y cerrado EIQ_303

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Características del rendimiento de la bomba El aumento de carga real ganado por el fluido por medio de una bomba se puede determinar a través del siguiente arreglo experimental:

Usando la Ecuación General de Energía: p 2 - p1 v 22 - v12 hA =  z 2 - z1 +  hL γ 2 g EIQ_303

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Bombas centrífugas  Características generales      

Manejan flujos grandes, 90% son de este tipo Tamaño, va desde ojo 1/4 “ hacia arriba Capacidad desde 1 GPM P de descarga hasta 2000 psi Potencia desde 1/5 HP Construcción en amplia variedad de materiales (incluyendo de vidrio, caucho duro, plástico sólido o revestidas de plástico)

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Bombas centrífugas

 Uso  Como bombas de servicio general, agua, aceite, productos químicos  Líquidos calientes, abrasivos o con sólidos en suspensión  Pulpas de madera y de fruta (rodetes abiertos)  Alimentos o drogas  Como bombas de pozo profundo o servicios sumergidos  Ideales para servicios donde se desea controlar capacidad de bomba estrangulando la descarga

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Bombas centrífugas  Ventajas            

Construcción mecánica simple Bajo costo comparadas con otras de igual capacidad Poco espacio Toleran corrosión Son de operación suave y descarga continua No requieren de válvulas Pueden operar a altas velocidades Pueden ir directamente acopladas al motor Al bloquear descarga no se daña la bomba (t pequeños) Se construyen en amplia gama de tamaños y materiales Tienen (NPSH)r bajo Características flexibles  Capacidad se ajusta a cambio de altura de carga, permite controlar bien el flujo en

amplio rango, sin necesidad de variar velocidad del rotor.  Tanto P como potencia, son limitadas, por lo tanto son seguras.

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Bombas centrífugas  Desventajas

 Presión de descarga relativamente limitada  En general no sirven para fluidos viscosos

 A bajas capacidades, a veces, tienen flujos inestables  Si no se pone válvula check en la línea, líquido

retorna a estanque de succión una vez que bomba se detiene EIQ_303

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Bombas centrífugas  Curvas características

 Cada bomba tiene su curva característica entregada por el

fabricante  A falta de esta, el usuario puede construirla en forma experimental  Una bomba queda totalmente definida por sus curvas características:  Altura-Caudal (Q-H)  Potencia-Caudal (Q-BHP)  Eficiencia-Caudal (Q-



)  Altura Neta Positiva de Succión-Caudal (Q-NPSH) EIQ_303 FREDES

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Selección de bombas centrífugas Las bombas centrífugas pueden ser utilizadas para el manejo de una gran variedad de líquidos, incluyendo suspensiones, siempre y cuando la viscosidad no sea muy alta Si se instala y opera una bomba centrífuga adecuadamente, puede emplearse cuando es necesario un tratamiento suave del producto Las bombas de desplazamiento positivo deben emplearse cuando el producto es extremadamente sensible Las bombas centrífugas no son autocebantes y por ello la succión y el rodete debe estar llenos de líquido al comenzar a funcionar

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La energía transmitida por el motor a la bomba, a través del rotor se transforma en energía cinética que adquiere el líquido. Una parte se transforma en energía de presión dentro de la carcaza de la bomba Parte de esta energía se pierde por fricción, calor y por retroceso de fluido dentro de la bomba La parte de la energía que no se convierte en presión se manifiesta como velocidad y por tanto el caudal a transportar por las tuberías

Q=v*A

Q : caudal V : velocidad A : área de circulación EIQ_303

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LA CURVA Q-H ES LA MÁS IMPORTANTE PUESTO QUE NOS MUESTRA SI UNA BOMBA PUEDE SER UTILIZADA EN UNA APLICACIÓN DETERMINADA.

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Curva de sistema: La resistencia al paso de un líquido en una línea de proceso varía con el cuadrado de su velocidad tal como se aprecia en el gráfico

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Si el líquido debe ser bombeado a depósitos que se encuentran a niveles más altos (presión estática), la presión que suministra la bomba debe ser apropiada para lograr dicho nivel.

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Añadiendo la curva Q v/s H se obtiene un punto que representa la capacidad de descarga de la bomba

Este es el punto operativo o de trabajo de la bomba y entregará líquido a esta presión y caudal EIQ_303

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Las características que entrega un fabricante respecto de una bomba se refiere normalmente al agua. Cuando se trata de líquidos con viscosidades mayores que el agua las curvas q-h son diferentes.

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Una mayor viscosidad da lugar a un aumento en las pérdidas por fricción y a las pérdidas de carga en el circuito

Se necesitan presiones mayores cuando se desplazan líquidos de viscosidad mayor que el agua EIQ_303

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Potencia de la bomba La potencia de la bomba está dada por:

PA=hA *  * Q

Dicha cantidad expresada en términos de caballos de potencia en general se denomina fuerza o potencia hidráulica. La eficiencia total de la bomba se expresa a través de la ecuación:

Potencia ganada por el fluido η= Potencia del eje que acciona la bomba En tal ecuación, el denominador representa la potencia total aplicada a eje de la bomba y a menudo se denomina potencia al freno:

PA η= Potencia al freno EIQ_303

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Curvas características de una bomba Modificación del punto de trabajo: (a) Modificando la curva de la bomba – bombas geométricamente similares – bombas en paralelo – bombas en serie (b) Modificando la curva del sistema (c) Modificando la curva de la bomba y la curva del sistema

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Curvas características de una bomba centrífuga Bombas geométricamente similares • Se puede conseguir con la misma bomba variando el diámetro del impulsor o la velocidad de giro. • Para bombas geométricamente similares, se cumple que: Q1 Q2  N1  D13 N 2  D23 H1 H 2  2 2 N1  D1 N 22  D22 P1 P2  N13  D15 N 23  D25

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Q = flujo volumétrico D = diámetro rodete N = velocidad giro impulsor P = potencia H = carga

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Curvas características de una bomba centrífuga La curva de la bomba se desplaza si la velocidad de giro se aumenta desde N1 a N3 H

B1

B2

B3

N1

N2

N3

Q EIQ_303

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Curvas características de una bomba centrífuga Bombas centrífugas en paralelo Se utiliza para aumentar el caudal del sistema H

Curva del sistema

Bomba

Dos bombas en paralelo

Q EIQ_303

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Curvas características de una bomba centrífuga Bombas centrífugas en serie Se utiliza para aumentar la altura de servicio del sistema H

Curva del sistema

Tres bombas en serie Dos bombas en serie Bomba

Q EIQ_303

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Curvas características de una bomba centrífuga

Modificación de la curva del sistema Modificando las pérdidas por fricción entre la succión y la descarga –cambiando diámetro de la tubería –colocando otra tubería en paralelo con la primera –colocando otro ramal en serie con la primera

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Curvas características de una bomba centrífuga

Sistema de bombeo en paralelo Se utiliza para aumentar el caudal del sistema

H Sistema en paralelo

Q1 EIQ_303

Q2

Q1+Q2

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Curvas características de una bomba centrífuga Sistema de bombeo en serie Se utiliza para aumentar la altura de servicio del sistema H Sistema en serie

H1+ H2

H2 H1

Q EIQ_303

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CAVITACIÓN Al bombear, el líquido es transportado de un lugar a otro de la bomba creando un vacío parcial en la succión que provoca la entrada de nuevo líquido. El punto de ebullición de un líquido cambia con la presión, cuando menor es la presión menor es la temperatura a la que se forma vapor Si la presión en la entrada es muy baja, el líquido al entrar al rotor puede vaporizarse parcialmente. Este fenómeno se conoce como cavitación La cavitación se detecta por un sonido crujiente de la bomba Pequeñas burbujas de vapor formadas a la entrada son succionadas por la bomba aumentando su presión hasta unos 100.000 bar por lo que se condensa muy rápidamente

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La cavitación produce daño en el rotor y en el interior de la carcaza de la bomba y reduce sustancialmente la eficiencia. La cavitación puede ser evitada aumentando la presión en el lado de la succión de la bomba:  Reduciendo las pérdidas de presión en la línea de alimentación mediante: • Tuberías de mayor diámetro • Tuberías de longitudes mas cortas • Menor número de válvulas, codos y accesorios  Subir el nivel del depósito de alimentación por sobre el nivel de succión de la bomba  Reducir la temperatura del líquido en la succión

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Carga de Aspiración Neta Positiva (CANP) o Net Positive Suction Head (NPSH) En la zona de succión de una bomba pueden generarse sectores con baja presión, lo que podría provocar cavitación. La cavitación se produce cuando la presión del líquido en un punto dado es menor que la presión de vapor del líquido. Si esto ocurre, se forman de manera súbita burbujas de vapor , provocando reducciones en la eficiencia y daño en la estructura interna de la bomba. Para caracterizar el potencial de cavitación se usan la diferencia entre la carga total sobre el lado de la succión (cerca de la entrada del impulsor de la bomba : p succión/densidad + v2 succión/2gc), y la carga de presión de vapor del líquido (pvapor/densidad). La Carga de Aspiración Neta Positiva (NPSH) está dada por:

v S2 p Vapor NPSH    2gc  pS

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Carga de Aspiración Neta Positiva Se denomina carga de aspiración neta positiva requerida (NPSHR) al valor que es necesario mantener o exceder para que no ocurra cavitación.

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Carga de Aspiración Neta Positiva Se denomina carga de aspiración neta positiva disponible (NPSHD) a la carga que realmente ocurre para el sistema de flujo particular. Se puede determinar experimentalmente, o calcular si se conocen los parámetros del sistema.

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Carga de Aspiración Neta Positiva La carga de aspiración neta positiva disponible (NPSHD) está dada por la siguiente ecuación:

NPSH D  Bs  NPSH D 

p1



Pvapor



 Z1   hs 

pvapor



Donde, p 1 : presión estática absoluta aplicada al fluido Z1 : diferencia de elevación desde el nivel del fluido en el depósito hacia la entrada de la bomba ( positiva si la bomba está por debajo del estanque o negativa si la bomba está arriba del estanque) hS : pérdidas por fricción en la línea de succión. P vapor: presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo

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Ejercicios

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Ejercicio 1: Se tiene un sistema como el de la figura por el cual circula agua a 20ºC. La tubería es de acero comercial de 6 pulgadas de diámetro. En la succión, la longitud equivalente es de 10 m y en la descarga de 340 m. Si la curva característica de la bomba a 1750 rpm está representada por: H



200 - 1585  Q 2

H  m ; Q  m 3 /s

A) cuál es el caudal que circula por el sistema? B) si el NPSH es de 2,5 m (Pv = 0,016 atm), cuál es la altura crítica del nivel de la bomba para cavitar? C) si las revoluciones de la bomba cambian a 2000 rpm, cuál es el nuevo caudal?

30 m

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Ejercicio 2 A) Para el sistema de la figura, cual es el caudal que circula? B) cuál es el porcentaje de aumento de caudal si se instala en el sistema una bomba centrífuga con las siguientes características? Q (L/min)

0

4000

8000

12000

16000

H (m)

98

97

90

77

60

C) si las revoluciones bajan a 800 rpm, cuál es el nuevo caudal que circula por el sistema? D) para un caudal de 10000 (L/min), cuál es la máxima presión a la que puede estar cerrado el tanque 2?

35 m

  150 mm

K = 0,9

  0,09 mm

K = 0,4 65 m

35 m 16 m K=1

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Ejercicio 3: Para el sistema mostrado en la figura, verifique la bomba instalada (rpm = 1500). Cuál deberá ser el diámetro de la tubería para transportar como máximo 3000 l/s?.

  24"   0,0001 D Pv(abs)  3100 Pa Q  2350 L/s

Aire Agua 3m

6,9 104 Pa

Válvula abierta K=1 2,4 105 Pa

12 m

Aire 9m

Agua

152 m K = 0,4

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152 m

Bomba

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Nivel de referencia K = 0,9

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