UNIDAD 4 SISTEMAS COMPLEJOS DE TUBERÍAS

Transcripción

1 UNIDAD 4 SISTEMAS COMPLEJOS DE TUBERÍAS Capítulo 3 CONCEPTO ELEMENTAL DE BOMBA Y TURBINA COMPORTAMIENTO Y UTILIZACIÓN DE BOMBAS Curvas características Las curvas características de ua bomba, permite coocer su comportamieto. Ua bomba que opera a velocidad costate, puede sumiistrar u caudal variable que crece al dismiuir la altura. La relació etre caudal, altura maométrica, redimieto, potecia absorbida y NPS requerido se recoge e las curvas características de la bomba. Las curvas características más importates de ua bomba, desde el puto de vista de su selecció y utilizació, so las que a cotiuació expoemos. Curva altura maométrica caudal, = () Esta curva se obtiee e el baco de pruebas de la bomba mediate sucesivos estragulamietos e la tubería de impulsió y posterior represetació de caudales y alturas e u sistema de coordeadas. Normalmete se represeta varias de estas curvas para distitos diámetros de impulsor, lo que posibilita que la bomba tega u rago de utilizació mayor. La altura maométrica dismiuye a medida que aumeta el caudal. E las bombas de flujo radial es frecuete que la curva - presete u máximo e los caudales cercaos al caudal ulo. Por el cotrario, las bombas de flujo axial preseta ua curva - de pediete más prouciada que las bombas de flujo radial, además de ser frecuete la existecia de putos de tagete horizotal que e muchos casos llega a costituir míimos e la curva (fig.4.36):

2 Altura, Altura, Caudal, Bombas flujo radial Caudal, Bombas flujo axial Fig.4.36 Curva redimieto caudal, () Preseta u máximo para u caudal cocreto (BEP, Best efficiecy poit). Los redimietos para caudales distitos del correspodiete al BEP dismiuye y por tato los cosumos eergéticos será mayores. Frecuetemete, se represeta sobre la curva característica el lugar geométrico de los putos que tiee el mismo redimieto. Ello permite coocer el redimieto para distitos diámetros de rodete (véase fig.4.37). Curva NPSr caudal Altura eta positiva de aspiració requerida por la bomba e fució del caudal, que cometaremos más adelate e este capítulo. Para u diámetro de rodete determiado, el NPS r aumeta co el icremeto de caudales. Por otra parte, para u caudal determiado el NPS r es mayor cuato meor es el diámetro de rodete (véase fig. 4.4). Curva potecia absorbida caudal, P = P() La curva se obtiee a partir de la expresió: P abs mediate sustitució del caudal, la altura y el redimieto para cada puto de medida. Para las bombas de flujo radial, la potecia absorbida aumeta co el icremeto de caudales de modo que la potecia absorbida máxima se produce para el caudal máximo y míima altura a la que la bomba es capaz de bombear. E cambio, e las bombas de flujo mixto la curva de

3 potecia absorbida preseta u máximo para u determiado caudal. E el caso de las bombas de flujo axial, la potecia absorbida dismiuye co el icremeto de caudales. Se muestra a cotiuació las curvas características para ua bomba de flujo radial: O O , O NPS r [m] [m] O 600 O O 75 O 660 P [kw] O [m /h] Fig Las curvas características de ua bomba so sumiistradas por el fabricate segú esayos realizados e el baco de pruebas. El coocimieto de estas curvas es imprescidible para ua correcta selecció así como para la determiació de posibles aomalías e su fucioamieto. DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA DE BOMBEO El puto de fucioamieto de ua bomba depede de las características de ésta y de las características del sistema por el que va a teer lugar la impulsió del fluido.

4 Gráficamete, el puto de fucioamieto viee determiado por la itersecció de la curva característica - de la bomba, co la curva resistete de la istalació, segú se muestra e la siguiete figura 4.38: 50 Curva de pérdidas del sistema 00 Puto de fucioamieto [m] 50 Curva característica de la bomba [m /h] Fig La determiació del puto de fucioamieto admite resolució aalítica auque se ha elegido el método gráfico por resultar más ituitivo. Fácilmete puede verse (fig.4.39), como ifluye e el puto de fucioamieto, el desceso del ivel de la superficie libre del líquido (ivel estático) de u pozo. Se produce u aumeto e la altura geométrica del sistema, de maera que el puto de fucioamieto de la bomba se desplaza hacia caudales meores y alturas maométricas mayores. Puto fucioamieto g g Puto fucioamieto g g Bomba Fig. 4.39

5 VELOCIDAD ESPECÍFICA Se defie la velocidad específica o úmero específico de revolucioes q, como el úmero de revolucioes de ua bomba geométricamete semejate a la bomba dada, dimesioada de maera que impulse u caudal de m3/s a ua altura de m. Se expresa segú la siguiete ecuació: dode: q / 3 / 4 q, velocidad específica, régime de giro e rpm., altura e m., caudal e m 3 /s. Cuado el rodete sea de doble aspiració, el caudal a itroducir e la fórmula será la mitad del impulsado por la bomba. E bombas multietápicas (co varios impulsores e serie), la altura a tomar será la resultate de dividir la altura total proporcioada por la bomba etre el úmero de impulsores de que coste. Si referimos la velocidad específica a ua potecia de CV e vez de m 3 /s, se tiee: la potecia puede obteerse como: W s / 5 / 4 W 75 sustituyedo e la ecuació de s se obtiee ua relació etre ésta y q : s 75 / / 3 / 4 75 / q para agua a 4ºC, = 000 Kp/m 3 y (/75) / = 3,65, por tato: s 3,65 q La velocidad específica de ua bomba es idepediete de su tamaño y velocidad. Depede fudametalmete de la forma de su rodete.

6 Es frecuete la clasificació de las bombas e fució de su velocidad específica. Para ua bomba dada que opera co u régime de giro cocreto, se toma el caudal y altura correspodietes al puto de máximo redimieto. De este modo, se puede establecer la siguiete clasificació recogida e la tabla 4.. Tabla 4. TIPO DE BOMBA VELOCIDAD ESPECÍFICA Cetrífuga q < 50 elicocetrífuga 50 < q < 400 Axial q > 400 Valores pequeños de q correspode a impulsores de gra altura y caudales moderados (impulsores letos), característicos de las bombas cetrífugas. A medida que q va icremetado su valor, la forma del impulsor va cambiado de maera que las alturas de impulsió dismiuye y aumeta los caudales (bombas helicocetrífugas), hasta llegar a los impulsores de flujo axial, que alcaza las velocidades específicas más altas (impulsores rápidos). La velocidad específica es u parámetro de gra utilidad e el diseño de bombas hidráulicas. E uestro caso, será de utilidad para coocer qué tipo de bomba será la más adecuada para uas determiadas codicioes de operació. REGULACIÓN DE BOMBAS Regulació por variació de velocidad Geeralmete, ua bomba fucioa a u úmero de revolucioes costate. Si embargo puede resultar útil modificar el régime de giro cuado se requiere que la bomba impulse caudales variables, por teer más de u puto de fucioamieto. Si la bomba esta accioada por motor eléctrico, el cambio de régime de giro podrá coseguirse mediate el empleo de variadores de frecuecia, reductores de velocidad o acoplamietos hidráulicos. E ua misma bomba que fucioa a diferetes velocidades, puede emplearse las siguietes relacioes, derivadas de las leyes de semejaza para turbomáquias: ; ; W W 3

7 Por quedar fuera del objetivo de este capítulo, se omite el estudio detallado de las leyes de semejaza de turbomáquias, así como la comprobació de las codicioes de semejaza geométrica, ciemática y diámica, que hace posible su utilizació. Estas tres relacioes tiee validez cojutamete, o siedo aplicables si algua de ellas deja de cumplirse. Elimiado el cociete / etre las dos primeras, se tiee: coocido u puto de fucioamieto, por ejemplo y, la expresió aterior da lugar a la ecuació de ua parábola que represeta el lugar geométrico de putos - que tiee el mismo redimieto: K A estas curvas que pasa por el orige de coordeadas y por el puto de referecia determiado por y, se las cooce co el ombre de parábolas de isorredimieto (fig.4.40). Parábolas de isorredimieto Curva característica, - Fig Las curvas de isorredimieto reales se aparta ligeramete de las obteidas mediate las ecuacioes de semejaza para bombas, pues o pasa por el orige de coordeadas además de ser elipses y o parábolas. Mediate las ecuacioes de afiidad para bombas, coocida la ecuació característica = () y de redimieto () para u úmero determiado de revolucioes de giro de la bomba, se puede deducir estas mismas curvas para cualquier otra velocidad. El uevo puto de

8 fucioamieto, vedrá dado por la itersecció de la ueva curva de la bomba co la curva del sistema. Problema 4.9. Se tiee los siguietes caudales y alturas para ua bomba que fucioa a 500 rpm. Obteer los caudales y alturas correspodietes cuado la bomba opera a 000 y 750 rpm. Represetar gráficamete los valores obteidos. 500 rpm [m 3 /h] [m] 30 6,6 50 5,8 70 5,0 90 3,3 0 0,8 30 6,6 50, , , 0 9, ,0 Solució: Aplicado las ecuacioes de semejaza para ua misma bomba, se tiee: m 3 / h 000 6, ,3 m operado de forma aáloga para el resto de caudales y alturas, obteemos la tabla 4.3: Tabla rpm 000 rpm 750 rpm [m 3 /h] [m] [m 3 /h] [m] 3 [m 3 /h] 3 [m] 30 6,6 0,0 56,3 5,0 3,7 50 5,8 33,3 55,9 5,0 3,5 70 5,0 46,7 55,6 35,0 3,3 90 3,3 60,0 54,8 45,0 30,8 0 0,8 73,3 53,7 55,0 30, 30 6,6 86,7 5,8 65,0 9, 50,6 00,0 49,6 75,0 7, ,8 3,3 47,0 85,0 6, , 6,7 44, 95,0 4,8 0 9,6 40,0 40,7 05,0, ,0 53,3 36,9 5,0 0,8

9 Si represetamos los valores obteidos (fig. 4.4) y hacemos u ajuste, obteemos las curvas características =() para las velocidades de giro de 500, 000 y 750 rpm rpm Curva de pérdidas del sistema 0 00 Puto fucioamieto bomba a 500 rpm 80 [m] rpm Puto fucioamieto bomba a 000 rpm rpm 0 0 Puto fucioamieto bomba a 750 rpm Fig [m /h] Obsérvese que el puto de fucioamieto para todas ellas vedrá determiado por la itersecció co la curva del sistema. Regulació a velocidad costate Sea ua bomba co u puto de fucioamieto defiido por u caudal y ua altura. Si se desea que la bomba impulse u caudal meor, se puede actuar sobre la curva del sistema, aumetado las pérdidas de carga de modo que la pediete sea más positiva y el puto de fucioamieto se desplace hacia caudales meores y alturas de impulsió mayores. Ello puede coseguirse, aumetado la pérdida de carga mediate ua válvula de estragulamieto e la tubería de impulsió. Coforme se vaya cerrado la válvula, la bomba impulsará caudales meores a alturas mayores, segú se muestra e la figura 4.4 Regulació por estragulamieto del sistema Curva de pérdidas del sistema Regulació por variació de velocidad de la bomba Fig. 4.4

10 Este es u procedimieto de regulació ecoómico e cuato al coste de primera istalació, pues úicamete se requiere de la existecia de ua válvula aguas abajo de la bomba. Por el cotrario, se produce ua caída otable e el redimieto. La regulació por variació de la velocidad de la bomba, cuado el accioamieto es eléctrico, tiee u coste de primera istalació mayor, pues se requiere equipos que posibilite modificar el úmero de revolucioes de la bomba (bie mediate variadores de frecuecia, acoplamietos hidráulicos o reductores de velocidad). Como vetaja, permite mateer los redimietos etoro a valores aceptables, lo que cotribuye a optimizar el cosumo eergético de la bomba. Además, para u mismo caudal fial, la regulació por estragulamieto del sistema lleva a la bomba a ua altura superior a la que correspodería si se regulase por variació de la velocidad de la bomba (puto ). Esta altura adicioal - tiee como cosecuecia que la potecia absorbida por la bomba sea mayor co el cosiguiete impacto egativo e el cosumo eergético. La adopció de uo u otro sistema deberá ser evaluados e cada caso cocreto.