Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas

Transcripción

1 BOMBAS

2 GENERALIDADES. Definición: Convertidores de energía mecánica (procedente del motor que los arrastra) en energía hidráulica (fundamentalmente en forma de energía cinética y de presión). La energía mecánica puede tener origen eléctrico diesel gas vapor En principio existen dos grandes grupos de bombas: TURBOMÁQUINAS (ROTODINÁMICAS) Son aquellas en las que en el rotor de la bomba (parte móvil), se transfiere momento cinético al fluido y luego, dentro del propio cuerpo de la bomba, en el difusor y el caracol, se transforma el exceso de energía cinética en energía de presión. DE DESPLAZAMIENTO (RECIPROCANTES) H Q Son aquellas en las que se aplica una determinada fuerza (o par si son rotativas) a una serie de cámaras de trabajo que se van llenando y vaciando en forma periódica. En resumen utiliza la energía transmitida por un elemento móvil (pistón) dentro de un receptáculo cerrado (cilindro). neumáticas OTROS GRUPOS DE BOMBAS jet tornillo HB HA H P s P s z z H g g B A Obs: P H B PA se puede medir con un manómetro diferencial entre la entrada y salida de la bomba. UdelaR - FI - IMFIA E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez

3 TURBOBOMBAS. Básicamente una bomba centrífuga consta de: 1) Una entrada E unida a la tubería de aspiración ) Un rodete móvil R que entrega cinética al fluido por arrastre 3) Un difusor D que tiene por objeto reducir la velocidad absoluta del fluido. En bombas de media y baja potencia no existe. 4) Una voluta o caracol que recoge todos los filetes fluidos salientes de la periferia del difusor (o del rodete) y los conduce hasta el punto donde empalme la bomba y la tubería de impulsión. CLASIFICACION. En función de la trayectoria que siga el fluido a lo largo del rodete se pueden clasificar en: Centrífugas (Q ½ y H grandes) Mixtas (helicocentrífugas) Axiales (Q grandes a H moderadas) Otras clasificaciones: Según el número de rotores monocelulares multicelulares Según la carcaza externa monobloc (pieza única) Cámara partida (dos piezas) UdelaR - FI - IMFIA E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez

4 Según la orientación del eje horizontales verticales Según la configuración del rotor abierto (faltan ambos discos) (atendiendo a los discos que semiabierto (solo un disco) conforman los álabes) cerrado (tiene tapas (discos)) Según el difusor CON (tiene difusor) SIN (no tiene difusor solo caracol) UdelaR - FI - IMFIA E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez

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8 DATOS FUNDAMENTALES QUE CARACTERIZAN EL FUNCIONAMIENTO DE UNA BOMBA (Q,H,N). Las curvas características de una bomba centrífuga son: Altura en función del caudal H H ( Q) Potencia en función del caudal P P( Q) Rendimiento en función del caudal Q) QH P (solo de ellas son correspondientes pues ) La curva H = H (Q) nos indica las distintas alturas manométricas que proporciona una bomba para cada uno de los caudales de paso que atraviesan el rodete. Muestra la capacidad de transferir energía al fluido. Para saber que clase de motor se requiere se necesita saber la potencia requerida. UdelaR - FI - IMFIA E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez

9 Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas UdelaR - FI - IMFIA E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez

10 SOBRE SEMEJANZA (SIMILITUD). Para dos bombas con semejanza absoluta (geométrica, cinemática y dinámica) se cumple Q Q ' N 3 ' N ; H N ' ' H N ; P P ' 5 N ' N 3 siendo λ la relación de semejanza geométrica En particular para el caso de una misma bomba se cumple la siguiente relación entre dos puntos de funcionamiento a diferente velocidad de giro Q N Q ' N ' ; H N H ' N ' ; P N P ' N ' 3 El concepto velocidad específica es importante desde el punto de vista del diseño de bombas, si bien no tanto desde la perspectiva de su utilización para la selección de equipos de bombeo. La velocidad específica será la misma para toda una gama semejante y definirá la morfología de la máquina. N n s Q 3 4 H Cuando las variables se miden N (rpm), Q (m3/s) y H (m) entonces: Si ns alto AXIALES 300 ns bajo CENTRÍFUGAS 15 ns medio MIXTO 90 A su vez la forma de las curvas características se relaciona también con la velocidad específica, de la siguiente manera UdelaR - FI - IMFIA E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez

11 También la velocidad específica se puede definir como una variable adimensional, incorporando la gravedad. En ese caso es posible identificar curvas homólogas adimensionales para distintos tipos de bombas. UdelaR - FI - IMFIA E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez

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13 PUNTO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA INSTALACIÓN El punto de trabajo de una bomba depende a la vez de la característica motriz que presenta y de la característica resistente a vencer. La curva H H ( Q) se puede aproximar por una expresión del tipo H A BQ CQ siendo H la carga manométrica diferencia entre salida y entrada. flq KQ H pérdidas KQ gda ga Aproximación f de tubería constante, la curva resistente de la instalación es H R H geo pér La Solución final del sistema estará dada por: UdelaR - FI - IMFIA E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez

14 H H R geo pér H A BQ CQ bomba Expresado en términos de balance, se puede exponer como: Nivel tanque succión - Pérdidas tramo succión + H bomba - Pérdidas tramo impulsión = Nivel Tanque Impulsión En forma gráfica CEBADO Cuando las bombas no están bajo carga, en el momento del arranque el tramo de aspiración puede estar lleno de aire. La depresión que genera (mc.aire) -que es la carga que entrega en metros de columna de fluido (aire)- por sí sola no es capaz de hacer que la columna líquida alcance el rotor de la bomba para poder comenzar a trasegar líquido. En el cebado en consecuencia se llena el tramo de aspiración y el rotor con fluido, de forma que el arrancar la bomba pueda entrar directamente en funcionamiento normal. ARRANQUE En el arranque la potencia puesta en juego podría exceder a la nominal del motor y, de no tomar precauciones, quemarlo. El arranque de bombas centrífugas conviene hacerlo con la válvula de impulsión cerrada, iniciando la apertura una vez alcanzada la velocidad de régimen, de forma de no sobrecargar el motor con la inercia propia del grupo motor bomba, más la inercia de la columna del líquido que soporta. UdelaR - FI - IMFIA E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez

15 ACOPLAMIENTO DE BOMBAS SERIE Se pueden arreglar bombas en PARALELO SERIE La impulsión de una bomba constituye la aspiración de la siguiente unidad, por lo que el caudal bombeado será el mismo en todas las máquinas aunque las alturas creadas deberán sumarse. Un caso especial es el de las bombas multicelulares, puesto que a pesar de estar los rodetes montados en serie el cuerpo de la bomba es único. Su uso es generalizado para elevar agua de pozos profundos, puesto que utilizar un solo rodete elevaría a diámetros muy grandes. Además mejora el rendimiento puesto que éste crece con n s. n s N Q 3 4 H y para el caso que se tienen m etapas puestas en serie se tiene N Q ns ' 3 H 4 m 3 4 m n s Analíticamente esto se expresa como: H A BQ CQ DQ EQ Curvas de una bomba H m A BQ CQ ( ) DQ EQ Curvas de m bombas o un rodete en serie (todos iguales) UdelaR - FI - IMFIA E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez

16 De forma gráfica esto es: Al acoplar bombas en serie hay que sumar alturas manteniendo caudales, lo que se traduce en que las curvas resultantes tienen una pendiente acusada, tanto mayor cuanto más grande sea el número de etapas. Ello ocasiona el que sean bastante rígidas y que las variaciones de nivel estacional de un pozo hagan fluctuar poco el caudal que elevan y el rendimiento de la instalación cuando la curva resistente tenga escasa pendiente (conducción sobredimensionada). PARALELO El fluido se aspira en un punto común, inyectándose después el caudal en la impulsión general. En este caso se suman los caudales, conservando las alturas. Todas las impulsiones se conectan ordenadamente a una conducción general común o a un múltiple de impulsión. Su empleo se justifica por ejemplo cuando en un abastecimiento el consumo de agua fluctúa mucho con el tiempo, si bien las condiciones de uso se mantienen. La utilización de una sola bomba tratando de satisfacer una amplia gama de consumo sería factible, pero a costa de trabajar con rendimientos bajísimos en determinados puntos de funcionamiento. Poniendo en funcionamiento en forma progresiva los grupos necesarios según el consumo, se logra mantener el rendimiento dentro de márgenes razonables. Otro caso será cuando hay gran Q para satisfacer y es imprescindible tener un buen nivel de respaldo. Para obtener la curva de funcionamiento de un sistema de bombas acopladas en paralelo solo debemos sumar los caudales para una misma altura. Analíticamente esto se expresa como: UdelaR - FI - IMFIA E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez

17 Si las curvas de una bomba son: H A BQ CQ DQ EQ Al acoplar n bombas en paralelo (iguales) Q Q H A B C n n Q Q D E n n Siendo Q el caudal global del sistema De forma gráfica, la suma de caudales manteniendo las alturas para obtener la curva característica del sistema acoplado resulta ser: UdelaR - FI - IMFIA E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez

18 CAVITACIÓN Se entiende por cavitación el fenómeno consistente en la vaporización del fluido circulante, a temperaturas muy inferiores a las del punto de ebullición del mismo en condiciones normales de presión. Un líquido se evapora cuando su tensión de vaporización a la temperatura que se considera alcanza la presión exterior que sobre dicho líquido actúa. La cavitación puede aparecer en la aspiración de bombas cuando éstas se encuentran a un nivel superior al de la superficie libre en el depósito de captación. Se da por una progresiva transferencia de energía de presión en energía potencial y en pérdidas por rozamiento a vencer en la conducción. Motivos que hacen indeseable que la bomba funcione con cavitación: Las piezas mecánicas están sometidas a esfuerzos alternados pues la potencia solicitada al motor depende del estado líquido o vapor del fluido. Descenso brusco del caudal impulsado por la bomba por el estrangulamiento que se produce con la vaporización del fluido. La brusca condensación de las burbujas de vapor a alta frecuencia produce elevados esfuerzos, que a su vez fatigan el material. Por esto las zonas de cavitación son de rápida corrosión (destrucción del material). La aparición de cavitación dependerá de: Las condiciones de aspiración. La altura de la bomba respecto el nivel de toma y las pérdidas de carga en el tramo de succión NPSH disp (Net Positive Suction Head). El trabajo que hay que hacer para vencer el rozamiento desde la entrada al cuerpo de la bomba hasta el punto de mínima presión dentro del rodete NPSH requer Al inicio de la aspiración la energía (o carga) disponible en el fluido es básicamente la de su presión atmosférica. Con la aspiración ésta se va transformando parte en potencial (posición), parte en cinética (velocidad), parte se emplea para vencer el rozamiento y el resto permanece como energía de presión. De esta forma, en la entrada de la bomba habrá presión manométrica negativa. UdelaR - FI - IMFIA E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez

19 Lo que supera en valor la presión existente en la entrada de la bomba a la tensión de vaporización del líquido, es la energía disponible para vencer las pérdidas adicionales en el interior de la bomba y conducir el fluido hasta alcanzar el punto de mínima presión dentro del rodete. Sea S la sección en la que se efectúan medidas de presión en la tubería de succión, justo a la entrada de la bomba. O un punto inmediato antes de la entrada al rotor dentro de la bomba. B el punto interior del rotor donde la presión es mínima. H S H o SO (Bernoulli considerando la pérdida por fricción entre S y O) P P v P P atm s s atm o o s o H so g g v Además se tiene otro balance de carga dentro del equipo, que resulta: p Siendo: o p b C p v r0 g cp = coef. de presiones vr0 = velocidad del flujo relativa al álabe. Ubicando la referencia altimétrica en el eje del rotor Z o 0 consecuencia el siguiente balance se plantea en P P v P P v atm s s atm b ro o s C p H so g g g v Patm Pb Pvapor La condición para que no cavite es siendo Pvapor la presión absoluta de vaporización del fluido a la temperatura existente, por lo cual Patm Ps v P s vapor C pvr v 0 o Z s H so g g g El término de la derecha se puede poner todo en v s función de, dado que depende de las características de la bomba y también del UdelaR - FI - IMFIA E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez

20 NPSH propio caudal, y se lo denomina r ( Net Positive Suction Head requerida). Este valor debe suministrarlo el fabricante mediante ensayo de cavitación, usualmente como una curva característica adicional. Si H P g S S vs Zs P atm P vapor H S NPSH r NPSH d P atm H s P vapor definiendo así ( Net Positive Suction Head disponible) La condición de no cavitación resulta ser: NPSHd NPSH r OBSERVACIÓN: Para el caso de una bomba succionando desde un recipiente a presión atmosférica, siendo A un punto de la superficie libre del recipiente, la condición de no cavitación resulta: P atm donde P NPSH v A AS r AS son las pérdidas por fricción en el tramo de succión y A es la distancia desde el centro del rotor (eje) a la superficie libre (medida negativa si el eje está por sobre la superficie libre del tanque). Además Patm Pv 10mca UdelaR - FI - IMFIA E. Lorenzo, D. Bellón, & G. Lopez