UNIDAD 4 SISTEMAS COMPLEJOS DE TUBERÍAS

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1 UNIDAD 4 SISTEMAS COMPLEJOS DE TUBERÍAS Capítulo CONCEPTO ELEMENTAL DE BOMBA Y TURBINA DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE BOMBAS Se denoina boba hidráulica a aquella áquina en la cual se produce una transforación de la energía ecánica en energía hidráulica (velocidad y presión) counicada al fluido que circula por ella. Atendiendo al principio de funcionaiento, pueden clasificarse en los siguientes grupos: Bobas de desplazaiento positivo o voluétricas: En ellas se cede energía de presión al fluido, ediante volúenes confinados. Se produce un llenado y vaciado periódico de una serie de cáaras, produciéndose el trasiego de cantidades discretas de fluido desde la aspiración hasta la ipulsión. Pueden a su vez subdividirse en alternativas y rotativas. Dentro del prier grupo se encuentran las bobas de pistones y ébolos; al segundo pertenecen las bobas de engranajes, tornillo, lóbulos, paletas, etc (fig.4.4). Turbobobas: La turboboba es aquella áquina hidráulica que cede energía al fluido ediante la variación del oento cinético producido en el ipulsor o rodete. Dependiendo de la dirección del flujo a la salida del rodete, pueden clasificarse en:

2 e Descarga Succión Boba de engranajes Boba de tornillo T T D Boba de pistón Fig Boba de paletas - Bobas de flujo radial o centrífugas: El flujo a la salida del rodete, tiene dirección perpendicular al eje (flujo radial). Se caracterizan por una baja relación caudal-altura ipulsado. - Bobas de flujo axial: La dirección del flujo a la salida, es paralela al eje. Estas bobas ipulsan grandes caudales a no deasiada altura, por lo que se caracterizan por una elevada relación caudal-altura. - Bobas de flujo ixto o helicocentrífugas: El flujo es interedio entre radial y axial. Presentan carácterísticas interedias a las bobas de flujo radial y flujo axial en la relación altura-caudal bobeado. La fora del rodete y de la carcasa son variables, según el tipo de boba centrífuga. En las bobas de flujo radial el líquido entra axialente en el rodete por la brida de aspiración y se descarga radialente hacia la carcasa. En las bobas de flujo ixto el líquido entra axialente en el rodete y se descarga en una dirección entre la radial y la axial. En las bobas de flujo axial, el líquido entra y sale del rodete axialente (fig. 4.5).

3 Flujo radial Flujo ixto Flujo axial Fig. 4.5 ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS Una boba centrífuga se copone de dos eleentos principales: - Un rodete o ipulsor, constituido por álabes que producen un cabio en el oento cinético del fluido, de odo que su velocidad y presión a la salida son superiores a las de la entrada. - Voluta, encargada de conducir al fluido desde la salida del rodete, hasta la brida de descarga. Está forada por un conducto cuya sección auenta gradualente hasta alcanzar la salida de la boba. En ella, parte de la energía de velocidad se transfora en energía de presión, reduciéndose las pérdidas por fricción. Es frecuente la existencia a la salida del rodete, de un difusor constituido por álabes fijos y cuya isión es la de contribuir a esta transforación de energía cinética en energía de presión (fig. 4.6). Otros eleentos existentes en la ayoría de los odelos de bobas, se uestran en la siguiente vista seccional de una boba de aspiración axial con ipulsor en voladizo (fig. 4.7) ( overhung ): Fig.4.6

4 Fig.4.7 El sellado del eje constituye un eleento de gran iportancia en el funcionaiento de una boba, pues evita de fora copleta o parcial, la evolución del fluido bobeado al exterior. Existen dos tipos fundaentales de dispositivos para sellar el eje de una boba: el sellado o cierre por epaquetadura, consistente en un prensaestopas que ajustado adecuadaente, liita el caudal de fluido que sale al exterior a una pequeña cantidad, que resulta por otra parte necesaria, pues de lo contrario no habría refrigeración de la estopa, se quearía y resultaría inservible. La figura 4.8 representa la vista seccional de una boba con cierre por epaquetadura: Estopa Prensaestopas Fig. 4.8

5 La otra posibilidad la constituye el cierre ecánico, que se copone de dos eleentos uno fijo a la carcasa que recibe el nobre de asiento y otro óvil que gira con el eje de la boba y que se denoina cara. Por edio de un resorte y la propia presión del fluido bobeado, la cara desliza sobre el asiento de fora que, a diferencia del cierre por epaquetadura, no existe ningún escape de fluido al exterior. El inconveniente de este tipo de cierres es que cuando se estropean inutilizan la boba, lo que obliga a contar con el consiguiente repuesto, ás aún en las estaciones de bobeo destinadas a operar ininterrupidaente.. En el caso de cierre por epaquetadura, si la fuga de fluido auenta eventualente, bastará con actuar sobre el prensaestopas, lo que peritirá a la aquina seguir funcionando (fig. 4.9). Fig. 4.9 TIPOLOGÍA DE BOMBAS PARA IMPULSIÓN DE AGUAS Entre la tipología de bobas coúnente epleadas para la ipulsión de aguas se encuentran: Bobas centrífugas con ipulsor en voladizo Se caracterizan por tener los cojinetes a un lado del ipulsor de anera que éste queda en voladizo. La aspiración se produce en dirección axial, esto es, en la dirección del eje, ientras que la brida de descarga se sitúa por encia de la voluta (fig.4.0). Las de enor taaño pueden copartir eje con el otor, forando un conjunto único onobloc. Por el contrario, en las de taaño edio y grande, la boba y el otor son independientes. Abos se unen por edio de un acoplaiento, lo que perite que boba y otor puedan ser seleccionados independienteente uno de otro. La disposición puede ser horizontal o vertical. La opción vertical presenta la ventaja de ocupar enos espacio que la horizontal (fig.4.1).

6 Fig.4.0 Fig.4.1 Bobas de doble aspiración y cáara partida En las bobas de cáara partida, el cuerpo de la boba se encuentra dividido por un plano horizontal a la altura del eje. Ello supone una indudable ventaja en el anteniiento y reparación, pues esta disposición constructiva perite acceder a los eleentos internos de la boba (eje, ipulsor, cojinetes, etc.) sin tener que desacoplarla del otor; bastará con levantar la tapa superior del cuerpo de la boba (fig. 4. y 4.).

7 Fig. 4. Incorporan un rodete de doble aspiración, lo que perite copensar los esfuerzos axiales de un lado con los del lado opuesto, de odo que el conjunto rotórico se encuentra copensado. Debe prestarse especial atención a la disposición física de la tubería en la aspiración de la boba, a fin de asegurar una sietría de flujo que perita una aspiración equilibrada por abos lados del rodete y la consiguiente copensación de esfuerzos. De este odo deberá evitarse la presencia de codos o bifurcaciones excesivaente cerca de la brida de aspiración de la boba. Fig. 4. Bobas verticales de flujo axial Las bobas de flujo axial se eplean para bobear grandes caudales a poca altura. Se coponen de una capana de aspiración en la parte inferior de la boba, seguida de un cuerpo donde se encuentra el rodete, un eleento difusor, coluna de ipulsión y codo de descarga. El ipulsor se acciona ediante un eje interior a la coluna de ipulsión y soportado por cojinetes radiales lubricados y refrigerados por el propio fluido bobeado. El otor para accionaiento se sitúa en la parte superior (fig. 4.4).

8 El ipulsor de estas bobas se encuentra peranenteente cebado por estar suergido por debajo de la SLL. Las dos tipologías anteriores cuplirán esta característica únicaente cuando trabajen en carga, requiriendo una válvula de pie que antenga a la boba cebada cuando ésta trabaje en condiciones de aspiración. Motor Descarga Coluna Cuerpo de descarga Aspiración Fig. 4.4 Bobas suergibles Coo su nobre indica, otor y boba se encuentran bajo la superficie libre del liquido SLL (fig.4.5). Suponen una solución para el bobeo en el caso de instalaciones con poco NPSH disponible o alturas de aspiración excesivaente elevadas.

9 Fig. 4.5 RENDIMIENTO Y POTENCIA DE UNA BOMBA Rendiiento de una boba El rendiiento de una boba 1 es la relación entre la potencia teórica (potencia útil) que la boba transite al fluido, W y la potencia realente absorbida por la boba W e, edida en su eje y que le es proporcionada por el otor: 1 potencia teórica(potencia útil) potencia absorbida W W e El rendiiento de una boba resulta del producto del rendiiento ecánico, hidráulico y voluétrico: - El rendiiento ecánico es la relación entre la potencia transitida al eje y la potencia que recibe el ipulsor. Es consecuencia de las pérdidas ecánicas que se producen por el rozaiento entre eje y epaquetadura, fricción en los cojinetes y el rozaiento entre la superficie del ipulsor y el fluido. - El rendiiento hidráulico se define coo la relación entre la potencia real y teórica que el ipulsor de la boba transite a la corriente fluida. Es debido a las pérdidas hidráulicas por rozaiento del fluido y pérdidas por la turbulencia producida al entrar el fluido al ipulsor.

10 - El rendiiento voluétrico es el cociente entre el caudal que sale por la boba y el caudal que circula por su ipulsor o rodete. Abos no coinciden debido a la recirculación que se produce en el interior de la boba, bien por la holgura entre carcasa e ipulsor o por la existencia de orificios de equilibrado de presión en el propio ipulsor. Tabién se incluyen en estas pérdidas, el fluido que circula al exterior a través de la epaquetadura. Por últio, en función del fluido a bobear, deterinados cierres ecánicos pueden requerir una recirculación desde la brida de descarga de la boba hasta la caras del cierre, originándose una pérdida voluétrica. Para una boba dada y un punto de funcionaiento deterinado el rendiiento puede obtenerse de las curvas características proporcionadas por el fabricante en función del caudal y la altura. En general el rendiiento depende del tipo de boba (flujo radial, ixto o axial) así coo del taaño de la isa (para dos bobas hidráulicaente seejantes, la ás pequeña tiene peor rendiiento que la ayor). Para el diseño, un valor aproxiado frecuente puede establecerse entre 0,7 y 0,8. Potencia absorbida por una boba La potencia absorbida por una boba viene dada por la expresión: W [watios] γ[n/ ].Q[ /s].h η 1 [] Si consideraos el rendiiento del otor, tendreos la potencia absorbida por el otor: W [watios] T γ[n/ ].Q[ /s].h η.η 1 [] Si expresaos en el sistea técnico, todavía de uso frecuente: W [CV] T γ[kp/ ].Q[ /s].h 75.η.η 1 [] donde es el rendiiento del otor. Los rendiientos de los distintos tipos de otores, según la tabla 4.1, es la siguiente:

11 Tabla 4.1 Motor Tipo de transisión Rendiiento Corriente alterna Directa y eje horizontal 0,8-0,89 Corriente alterna Directa y eje vertical 0,79-0,85 Diesel Directa y eje horizontal 0,4-0,5 Gasolina Directa y eje horizontal 0,5-0,40 coo valor edio en cálculos aproxiados puede toarse el de 0, 7. La potencia efectiva para el otor se deduce de la teórica ediante un increento deterinado por la experiencia. El producto 1. = 0,5 0, 7 W[CV] γ[kp/ ].Q[ /s].h 75.η [] de operar en el sistea técnico, recuérdese que 1CV = 0,76 kw. Problea 4.8. Deterinar la potencia de una boba, que ha de elevar un caudal de 144 /h. Las características del sistea son las siguientes: - Altura de aspiración:,75 - Longitud de la tubería de aspiración: 17,5 - Accesorios en la aspiración: alcachofa y tres codos a 90 º - Altura de ipulsión: Longitud de ipulsión: Accesorios en la ipulsión: válvula de regulación y cuatro codos norales a 90 º - Altitud del lugar : Teperatura del agua: 15ºC Solución: - Cálculo de la tubería de aspiración: Tanteaos con una velocidad de 0,8 /s para obtener el diáetro:

12 D 4 Q V 40,040 0,8 0,5 elegios un diáetro de 50, corresponde a una velocidad real para el diáetro seleccionado de : V 4.Q.D 4.0,040.0,50 0,81 /s - Pérdidas de carga: La pérdida de carga en el recorrido de aspiración para L = 17, 5, la calculaos por Chèzy-Kutter, tubería de fundición nueva = 0, D C. D ,50.0,0 0,50 55,55 1/ /s; h r s 64.Q.L.C.D ,040 55,55.17,5.0,50 5 0,059 la pérdida de carga en los codos la calculaos para un = 0,1: h c V 0,1. g 0,81 0,1. 9,81 4,41.10 Para tres codos:.4,1 10 0,01 pérdida en la alcachofa, consultando cualquier ábaco para el particular, obteneos 0, para la velocidad de 0,8 /s. Hay que tener en cuenta la altitud del lugar y la teperatura del agua para la aspiración. Para 700 Para 15ºC 0,870 0,17 La altura anoétrica de aspiración H s, valdrá: H s,75 0,059 0,01 0,00 0,870 0,17 5,06

13 - Cálculo de la tubería de ipulsión: Fijaos la isa velocidad que en la aspiración 0,81 /s, por tanto el diáetro sigue siendo 50, si bien llevará una reducción a la salida de la boba para poder acoplar la salida al diáetro elegido (tendrá una pérdida, pero no la evaluaos). La pérdida de carga para una conducción de L = 180, siguiendo el iso procediiento que en la aspiración: h r 64.Q.L 5.C.D 64.0, ,55.0,50 5 0,6 Pérdida de carga en los cuatro codos: 0,81 h' c 4 0,1. 0,017 9,81 Pérdida en la válvula para = 0,07: h v 0,8 0,07.,.10 9,81 la pérdida de carga a la salida, suponiendo bordes redondeados, = 0,06: h S 0,8 0,06 1, ,81 altura anoétrica de ipulsión: H d 150 0,6 0,017 0,00 0,00 150,64 La altura anoétrica total de aspiración e ipulsión, valdrá: H H s H d 5,06 150,64 155,7 156 Potencia de la boba: Q H W 75 0, , , ,7 87,5 kw