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Transcripción

1 8903&+,0':';<$%9,0'="%9>#';&?<9?,0'!"#$%&'()'*&+,'-)-).)'!#+/,0'1&3456%7,0'(((' =E"9F'G4B'=&4<>&B'!"#$%&$'"(&)*+"*,(-"(."%/$*013&%.3$*4*0("%-53$* 06&"*&"'$*6"*#781.3$*8$9)*:.3"(3.$;*

2 Las trasarencias son el material de aoyo del rofesor ara imartir la clase. No son auntes de la asignatura. Al alumno le ueden servir como guía ara recoilar información (libros, ) y elaborar sus roios auntes En esta resentación se incluye un listado de roblemas en el orden en el que se ueden resolver siguiendo el desarrollo de la teoría. Es trabajo del alumno resolverlos y comrobar la solución

3 1.1.- Introducción a las Máquinas idráulicas 1..- Bombas idráulicas Generalidades de las Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Bombas Volumétricas Turbinas idráulicas

4 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Características Camos de Alicación Partes Rodetes La Voluta Clasificación Curva Característica Cebado Instalación Acolamiento encias, Rendimientos y Pérdidas Cavitación Gole de Ariete Catálogos de Fabricantes Leyes de Semejanza Número Esecífico de Revoluciones Influencia del Número de Alabes Punto de Funcionamiento Selección de una Bomba

5 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas encias, Rendimientos y Pérdidas en las Bombas (I) encia eléctrica al motor encia al eje de la bomba encia al rodete encia al fluido encia útil al fluido

6 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas encias, Rendimientos y Pérdidas en las Bombas (I) encia eléctrica al motor encia al eje de la bomba encia al rodete encia al fluido encia útil al fluido motor mec vol man Pérdidas eléctricas L elec Pérdidas mecánicas Lmec Pérdidas volumétricas Lv Pérdidas manométricas Lman Rozamiento en el eje Recirculación del fluido en el rodete Fricción del fluido

7 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas encias, Rendimientos y Pérdidas en las Bombas (I) encia eléctrica al motor eje elec motor encia al eje de la bomba rodete eje mec encia al rodete fluido rodete vol encia al fluido util fluido man encia útil al fluido motor mec vol man Pérdidas eléctricas L elec Pérdidas mecánicas Lmec Pérdidas volumétricas Lv Pérdidas manométricas Lman Rozamiento en el eje Recirculación del fluido en el rodete Fricción del fluido

8 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas encias, Rendimientos y Pérdidas en las Bombas (I) rodete rodete total fluido bomba total util bomba man encia eléctrica al motor eje elec motor encia al eje de la bomba rodete eje mec encia al rodete fluido rodete vol encia al fluido util fluido man encia útil al fluido motor mec vol man Pérdidas eléctricas L elec Pérdidas mecánicas Lmec Pérdidas volumétricas Lv Pérdidas manométricas Lman Rozamiento en el eje Recirculación del fluido en el rodete Fricción del fluido

9 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas encias, Rendimientos y Pérdidas en las Bombas (II) eje, encia de accionamiento del eje de la bomba eje 60 rad / s n rmm N m W M N m Pérdidas Mecánicas (rozamientos), L m En el eje En los cojinetes Entre el rodete y la cámara de agua en la que gira Diminuyen la otencia comunicada al rodete, rod rod eje L mec rodete rodete rodete total Aarece el rendimiento mecánico, mec mec rod eje

10 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas encias, Rendimientos y Pérdidas en las Bombas (III) rodete rod eje L mec rodete rodete total mec rod eje flu, encia comunicada al fluido fluido bomba total Volumétricas, L v fluido rodete L Fugas al exterior (rensaestoas) Reflujos internos (arte de lo exulsado or el rodete vuelve a la asiración) vol bomb Fugas externas Disminuyen el caudal suministrado or la bomba resecto al que asira el rodete rodete bomba rodete L Aarece el rendimiento volumétrico, vol Tíicamente vol = 1 vol bomba rodete Son mayores en rodetes abiertos y semiabiertos Fugas internas

11 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas encias, Rendimientos y Pérdidas en las Bombas (IV) flu, encia comunicada al fluido fluido bomba total vol bomba rodete P util, encia hidráulica comunicada or la bomba util bomba man Pérdidas Manométricas, L man Por rozamiento del líquido (voluta, rodete, ) fluido Por cambios de dirección (desrendimiento de la caa límite) util L man Disminuye la altura útil que la bomba realmente suministra al líquido, manométrica, man man total LintB Aarece el rendimiento manométrico, man man man total

12 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas encias, Rendimientos y Pérdidas en las Bombas (V) mec rod eje vol bomba rodete man man total eje rodete flu util eje 60 n M L mec rod rod rod eje mec rodete L mec eje total L v flu flu flu vol rodete bomba L vol rodete total L man util util util flu man bomba L man flu man rod eje L mec bomba rodete L man total Lman util eje L mec L vol L man geom util Euler man elev total elev im man as L-tub L-intB tot eje mec tot util vol man mec vol util eje util bomba man hidraulico vol man

13 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (I): No es de aire Proceso de formación y osterior colaso (imlosión) de burbujas de vaor (cavidades) en el seno de un líquido Se roduce cuando la resión en algún unto de la corriente de un líquido desciende or debajo de la resión de saturación del mismo ( < sat ) Para el agua: T log V 7,5,7858 T 73 35,85 v en Pa y T en ºC Temeratura (ºC) sat (bar) [ abs ] 0,0087 0,017 0,0337 0, ,199 0,4736 1,0133 ( sat con T; eligro con calor) No es la entrada de aire en el sistema

14 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (II): T Presión de Vaor del Agua: log V 7,5,7858 v en Pa y T en ºC T 73 35,85 Pv (Pa) T (ºC)

15 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (II): Pv (Pa) Presión de Vaor del Agua (Pa) V 7,5 Ts 73 Ts 73 35,85,7858 T en ºC Pv (Pa) T (ºC) T (ºC)

16 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (II): Pv (Pa) Presión de Vaor del Agua (Pa) V 7,5 Ts 73 Ts 73 35,85,7858 T en ºC Pv (Pa) T (ºC) T (ºC)

17 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (III): Puede suceder en estructuras estáticas (tuberías, codos, estrechamientos, ) y en máquinas hidráulicas (bombas, turbinas, hélices, ) htt://foroaralelo.com/general/ diseno-contruccionsubmarinos-nuclearesdocumental-comleto-13160/ En las bombas: Las burbujas de vaor se forman en la asiración (entrada del rodete), en el unto de mínima resión La imlosión en el interior del rodete, a medida que el fluido va adquiriendo más resión y > sat

18 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (IV): Los efectos desfavorables de la cavitación son: Disminución de la sección de aso (la masa en vaor ocua más volumen que en líquido), lo cual uede motivar incluso el descebado B ) Caída brusca de las curvas características ara caudales elevados Ruidos y vibraciones debido al colaso de las burbujas Erosión de suerficies (desequilibrio masas vibraciones y ruido desgaste) (desgaste suerficial corrosión) P Cavitando htt:// Articulos/3451-Cavitacion-en-el-bombeo-de-fluidos.html

19 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (IV): Aumento de Presión Los efectos desfavorables de la cavitación son: Disminución de la sección de aso (la masa en vaor ocua más volumen que en Vaor líquido), lo cual uede motivar incluso el descebado B ) Caída brusca de las curvas características ara caudales elevados Ruidos y vibraciones debido al colaso de las burbujas El chorro de líquido choca con la suerficie y la erosiona Erosión de suerficies (desequilibrio masas vibraciones y ruido desgaste) (desgaste suerficial corrosión) Vaor P Cavitando htt:// Articulos/3451-Cavitacion-en-el-bombeo-de-fluidos.html

20 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (V): Las bombas centrífugas tienen una altura de asiración limitada NPS (altura neta de succión ositiva): es la resión mínima or debajo de la cual se roduce cavitación en la bomba ay dos NPS: Se obtiene con ensayos NPS requerida: es una característica de la bomba Lo debe suministrar el fabricante (ver curvas catalogo) asiración NPS disonible: es una característica del circuito de asiración, se debe calcular Net Positive Suction igh

21 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (VI): Ensayo del NPS r (I): Procedimiento: -Se fijan y ( im - as ) P as P im V im - Se cierra un oco V as - V as - as - Se abre V im buscando - El roceso se reite hasta que se arecie que la suministrada ( im - as ) or la bomba es sensiblemente menor que la inicial (1%) 1% -Se fijan otros y ( im - as ) - NPS NPS

22 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (VII): Ensayo del NPS r (II): Los resultados del ensayo con diferentes y iniciales ofrecen la curva del NPS r de la bomba V as P as P im V im NPS r 1% Múltiles 1 n NPS NPS

23 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (VIII): Ensayo del NPS r (III): Se cierran arcialmente V i y V a Se obtiene un (.ej: 1 m 3 /s) Se anotan P a (10 m) y P i (110 m) Se calcula P B ( = 100 m) V as P im P as V im Se cierra más V a, y se abre V i ara ajustar el mismo (1 m 3 /s) La cavitación emieza cuando P B < 99% P B inicial Se fija (= 1 m 3 /s) P a P i P B % NPSr a 1 m 3 /s,,,,,,,,, Emieza la cavitación NPS NPS

24 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (VIII): Ensayo del NPS r (III): Se cierran arcialmente V i y V a Se obtiene un (.ej: 1 m 3 /s) Se anotan P a (10 m) y P i (110 m) Se calcula P B ( = 100 m) V as P as P im V im NPSr a 1 m 3 /s Se cierra más V a, y se abre V i ara ajustar el mismo Se (1 reite m 3 /s) con otro caudal (.ej: 0,5 m 3 /s La cavitación emieza cuando Se fija (= 0,5 m 3 /s) P B < 99% P B inicial P a P i P B Se fija (= 1 m 3 /s) P a P i P B % ,,,,,,,,, NPSr a 0,5 m 3 /s,,,,,,,,, ,5 103,5 101 Emieza la cavitación Emieza la cavitación NPS NPS

25 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (VIII): Ensayo del NPS r (III): NPSr a 1 m 3 /s Se cierran arcialmente V i y V a Se obtiene un (.ej: 1 m 3 /s) P as Se anotan P a (10 m) y P i (110 m) Se reite con otro Vcaudal Se calcula P as (.ej: 1,5 m B ( = 100 m) 3 /s) Se fija (= 1,5 m 3 /s) Se cierra más V a, y se abre V i ara ajustar el mismo (1 m 3 P Se reite /s) con otro caudal a P (.ej: 0,5 i m 3 P /s B La cavitación emieza cuando Se fija (= 0,5 m 3 /s) P B < 99% P B inicial P a P i P B,,,,,,,,, Se fija (= 1 m 3 /s) P a P i P B 9NPSr 111 a 10 1% 1,5 m ,,, 3 /s 3,5 100,5 97,,,,,, NPSr a 0,5 m 3 /s,,,,,,,,, ,5 103,5 101 Emieza la cavitación Emieza la cavitación P im NPS Emieza la cavitación NPS V im

26 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (IX): Ensayo del NPS r (III): NPS r Se uede estimar el valor NPS r con formulación, entre otras: NPS r s n g / 3 s deende de las características de la bomba En la mayor arte de los rodetes, se uede considerar: s 0, ,5 s 0,0 NPS r 1 W1 g C1 g 1 0,9 1,3

27 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cálculo del NPS d (I): 1 La altura total a la entrada de la bomba, referida a su cota, es: g V La altura máxima de asiración disonible en la entrada de la bomba ara que no cavite, B dis, es tal que > sat Alicando Bernoulli entre 1 y : er g V z g V z as er atm g V Z 1 =- as Z =0 er atm 1 g V 0 0 z g V sat B dis asiración Considerando los accesorios de la tubería (válvulas, codos, etc) Cavitación (X): g v D L as.) (Tub. eq er

28 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (XI): Cálculo del NPS d (II): B dis sat V g atm er as V g asiración 1 Z =0 Z 1 =- as B dis B dis sat atm atm sat as er as er ( atm Pa 10 m.c.a) er L (Tub. as.) D eq v g Max. teórico de asiración de una bomba Considerando los accesorios de la tubería (válvulas, codos, etc)

29 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (XII): Cálculo del NPS d (III): Si la bomba trabaja en carga (más baja que el deósito): Z 1 = as B dis atm sat as er asiración Z =0 Cambia el signo de la as, y se rotege la bomba de la cavitación er L (Tub. as.) D eq v g Considerando los accesorios de la tubería (válvulas, codos, etc)

30 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (XIII): B req Fabricante B dis atm sat as er Para que no se roduzca cavitación: NPS d NPS r 0,5m er asiración 1 L (Tub. as.) D eq v g Z =0 Z 1 =- as Considerando los accesorios de la tubería (válvulas, codos, etc) Es más fácil que se roduzca si: Seguridad altitud del lugar ( atm ) T del fluido ( sat ) altura hasta la bomba ( as ) er rugosidad de la tubería longitud y accesorios tub. as. tubería as. ( velocidad del fluido) ( velocidad del fluido) Ojo con vál. ie ozo

31 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (XIV): B dis atm sat as er er (Tub. as.) L D eq v g 0 er 0 B dis atm sat as er er er er Al alicar 0,5 m de seguridad atm sat as 0,5 m max Se reduce max

32 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (XV): Presión atmosférica en función de la altitud P 5, 6 5 Pa ,610 m Patm [Pa] (m.s.n.m)

33 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (XVI): Los ensayo se realizan con modelos a escala reducida Se define el coeficiente de cavitación o índice Thoma, : NPS r Es igual ara las bombas geometricamente semejantes ay fórmulas teóricas ara determinarlo como:, / 3 n s Siendo n s el número esecífico de revoluciones Pero tienen un valor orientativo n s n 3,65 3 / 4

34 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (XVII): Situación esecialmente roblemática se roduce en el caso de: Bombeos de GLP desde un deósito La resión en la suerficie del líquido es la que tiene el vaor en equilibrio, or lo que a oca érdida de carga que se roduzca en la tubería de asiración, la resión uede disminuir del vaor límite y el líquido vaoriza. Además a medida que sale líquido del deósito, la resión del gas se reduce Se uede solucionar dando carga estática a la bomba Bombas de recogida de condensado, P Vaor (T) Gas Líquido Gas Líquido Carga estática

35 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (XVIII): Deósito de Exansión Su instalación se hace necesaria en los circuitos cerrados ara absorber las dilataciones térmicas del fluido Su osición resecto a la bomba, y la resión de llenado tienen influencia en la resión en todos los untos del circuito y or tanto en la cavitación Situado en la asiración de la bomba Al arrancar la bomba la P en el vaso ermanece casi cte La resión mínima es: P A Elemento 1 Elemento A arámetro adimensional que Bomba ON P L Tas deende de la bomba P min P inicial w 1 P LTas P llenado w 1 Bomba OFF El rimer elementos sufre fuertes variaciones de resión al arrancar y arar la bomba

36 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Cavitación (XVIII): Deósito de Exansión Su instalación se hace necesaria en los circuitos cerrados ara absorber las dilataciones térmicas del fluido Su osición resecto a la bomba, y la resión de llenado tienen influencia en la resión en todos los untos del circuito y or tanto en la cavitación Situado en la asiración de la bomba Situado en la imulsión de la bomba Al arrancar la bomba la P en el vaso ermanece casi cte La resión mínima es: P P llenado A w 1 P B Elemento 1 Elemento Bomba OFF Bomba ON A P min P inicial P Bomba w arámetro adimensional que deende de la bomba 1 Al arrancar la bomba la resión en la asiración cae sustancialmente, lo que uede rovocar roblemas de cavitación

37 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Gole de Ariete: Se uede roducir or: Parada brusca (corte suministro eléctrico) Cierre brusco en la válvula de imulsión Se uede limitar con: Cierre lento en la válvula de imulsión antes de arar la bomba Instalando válvulas de seguridad, chimeneas de equilibrio, válvulas de retención, V. reten. Chi. Eq. Ex. V. seg.

38 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Catálogos de Fabricantes (I) Ej: Grundfos htt://roduct-selection.grundfos.com/ catalogue.html?familycode=nkfam&custid= BGE&lang=ESP#/Cat%C3%A1logo%0de%0rod./ Familia%0de%0rod./NK%C%0NKE/NK (%) P1 (W)

39 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Catálogos de Fabricantes (II) Ej: Grundfos htt://roduct-selection.grundfos.com/ catalogue.html?familycode=nkfam&custid= BGE&lang=ESP#/Cat%C3%A1logo%0de%0rod./ Familia%0de%0rod./NK%C%0NKE/NK Familia de bombas Gráfico de selección ráida

40 1..- Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Catálogos de Fabricantes (III) Ej: Grundfos Familia de bombas Gráfico de selección ráida Gráfico de selección htt://roduct-selection.grundfos.com/ catalogue.html?familycode=nkfam&custid= BGE&lang=ESP#/Cat%C3%A1logo%0de%0rod./ Familia%0de%0rod./NK%C%0NKE/NK P (kw) Zonas no recomendadas NPS r