5. ACTIVIDAD ACADÉMICA SELECCIÓN DE GRUPOS DE BOMBEO EN SISTEMAS DE

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1 5. ACTIVIDAD ACADÉMICA SELECCIÓN DE GRUPOS DE BOMBEO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE FLUIDOS 5.. Enunciado problema 5.. Alternativa de solución con 5 grupos de bombeo iguales en paralelo 5.. Experiencia propuesta

2 5.. Enunciado del problema Se quieren seleccionar los grupos de bombeo necesarios para una planta de acuicultura cuya coniguración proyectada se muestra en la igura A.. y que centrará su actividad en el crecimiento de anguilas europeas. El agua se bombeará desde un embalse próximo a la instalación y se distribuirá por gravedad mediante un canal con pendiente del 0.% a siete series de tanques de cultivo. Las series A, B, C y D serán los depósitos de alevinaje (peso de la anguila: g) que dispondrán cada una de tanques circulares con una capacidad de. m (. m ). Las series E y F serán los depósitos de pre-engorde (peso de la anguila: 40-0 g) con 8 tanques rectangulares de 6 m (8 6 m ) y tanques rectangulares de m ( m ) cada una. En la serie G (4 0 m ; tanques rectangulares de engorde) las anguilas crecerán hasta el peso comercial (50 g). Considerando que el caudal máximo que va a demandar la estación de bombeo es de 700 m /h, se pide el diseño de la estación de bombeo considerando 5 y 6 grupos de bombas iguales en paralelo. Notas:. Se recomienda despreciar en los cálculos las pérdidas de carga en la tubería de aspiración del bombeo.. Se recomienda utilizar el catálogo de bombas comerciales IDEAL que se encuentra en la página web: Datos:. Viscosidad cinemática del agua: ν m /s. Presión atmosérica (escala absoluta): p atm 0. m. Presión de vapor de agua (escala absoluta): p V.4 m. CV 0.76 kw

3 Figura A.5.. Esquema del trazado de la red de distribución de agua de la planta de acuicultura

4 5.. Alternativa de solución con 5 grupos de bombeo iguales en paralelo La altura de energía H EB que debe aportar la estación de bombeo al agua almacenada en el embalse para impulsarla hasta el canal de la planta de acuicultura se calcula como la suma de la dierencia de cotas z embalse-planta a superar desde la supericie libre del embalse hasta el punto de descarga en la instalación y de las pérdidas de carga por rozamiento h tubería descarga en la tubería de impulsión o descarga hasta el canal para el caudal máximo que va a elevar la estación de bombeo (700 m /h m /s): H z + h (A.5.) EB embalse planta tubería desc arg a En este caso se han considerado despreciables las pérdidas de carga en la tubería de aspiración del bombeo y en los elementos singulares incluidos en la tubería de impulsión (uniones de conducciones, codos, ) así como la energía cinética del luido. Las pérdidas de carga h tubería descarga en la tubería de impulsión o descarga hasta el canal se determinan mediante la ecuación de Darcy-Weisbach (ecuación A.5.) que requiere el uso de la ecuación de Colebrook (ecuación A.5.) para determinar el actor de rozamiento : L U h (A.5.) D g k/d.5.0 log +.7 R (A.5.) donde R es el número de Reynolds y k/d la aspereza relativa. Estos valores se calculan como: U U D R k D Q π D tubería descarga tubería descarga tubería descarga tubería descarg a 4 tubería descarga ν (h) 700 (m / h) 600 (s) π 0.95 (m ) (mm) 950 (mm).8 (m / s) 0.95 (m) 0 6 (m / s) 4.8 m / s Sustituyendo en la ecuación de White-Colebrook y suponiendo un valor inicial de 0 de 0.0 se tiene un valor de de: k/d log +.0 log.7 R Como la dierencia en valor absoluto entre 0 y es mayor a 0.00, se vuelve a repetir el mismo procedimiento considerando un valor de 0 de 0.08: 4

5 k/d log +.0 log.7 R De este modo, se ha llegado a la convergencia en los valores de, y por tanto, las pérdidas de carga en la tubería de impulsión h tubería descarga aplicando Darcy-Weisbach son de: L U 00 (m).8 (m / s) 0.08 D g 0.95 (m) 9.8(m / s ) h tubería descarg a 0.77 m Así, la altura de energía del bombeo necesaria H EB es de 5.77 m es de (ecuación A.5.): HEB zembalse planta+ h tubería desc arg a 5 (m) (m) 5.77 m Por tanto, conocidos los requerimientos máximos de caudal y altura de energía de la estación de bombeo, se está en disposición de seleccionar la bomba o bombas comerciales a instalar. Para esta decisión, normalmente se disponen impulsores iguales trabajando en paralelo ya que se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones: - El acoplamiento en paralelo es una decisión recuente en la práctica donde se racciona la potencia total necesaria entre grupos idénticos adecuando el caudal bombeado a las necesidades de cada momento con valores de rendimiento aceptables. La disposición de un solo grupo de bombeo implica que el uncionamiento bajo pequeños rendimientos de caudal se eectúe con rendimientos muy bajos. - La iabilidad de un sistema dotado con más bombas será superior, dado que la disminución de la capacidad de la estación de bombeo (hablando en términos de caudal a impulsar) por motivo de la avería de un grupo, será menor cuantas más bombas haya. - El raccionamiento de la potencia en varios grupos iguales proporciona también una menor inversión en piezas de repuesto en almacén al poder ser éstas intercambiadas por varios grupos. - Por otro lado, una estación de bombeo equipada con más bombas requerirá de un sistema de regulación más complejo, y unos costes de obra civil y de elementos eléctricos más elevados. Teniendo en cuenta las series de bombas comerciales de las que se dispone, se decide diseñar una estación de bombeo con 5 bombas horizontales iguales en paralelo del tipo RNI de diámetro de rodete de 85 mm (φ85) que giran a 450 rpm (igura A.5.). No se selecciona el diámetro de rodete de 60 mm (φ60) porque suministraría una altura de energía menor que la necesaria. Las características de cada bomba del conjunto se muestran en la igura A.5. y en la tabla A.5.. 5

6 0 H suministrada 7.5 m H necesaria 5.77 m P absorbida 75 kw Q440 m /h400 l/s Figura A.5.. Curvas características de la serie RNI de Bombas Ideal Para comprobar que este diseño de la estación de bombeo es correcto, se debe veriicar que no hay riesgo de cavitación. El enómeno de la cavitación se reiere a la ormación y subsecuente ruptura de las burbujas de vapor en un luido que luye en una conducción. La presión de un luido en movimiento puede llegar a reducirse a la presión de vapor y entonces se orman burbujas de vapor que pueden ser llevadas hacia regiones de mayor presión donde repentinamente se rompen con intensidad suiciente para provocar un daño estructural en la conducción. Resulta evidente que se necesita un diseño y equipo adecuado para evitar el daño por cavitación. En este caso se va a analizar si hay posibilidad de riesgo de cavitación en el sistema de impulsión de agua en estudio, ya que en la tubería de aspiración de una bomba es común que haya bajas presiones con la posibilidad de que ocurra cavitación. Para que no ocurra cavitación es necesario que la Carga de aspiración neta positiva disponible NPSH d (valor que depende del diseño de la instalación) sea mayor que la Carga de aspiración neta positiva requerida NPSH r (valor dado por el abricante). 6

7 Tabla A.5.. Parámetros que caracterizan el uncionamiento de cada bomba de la estación de impulsión Parámetro Altura de energía necesaria Caudal Potencia necesaria H necesaria H EB 5.77 m Q Q n P necesaria EB 700 (m / h) 5 (grupos) γ Q H necesaria W 40. kw Valor 440 m / h 9800 (N / m ) 0.4 (m /s) 5.77 (m) Altura de energía H suministrada 7.5 m (leído de gráica, igura A..) suministrada Rendimiento η 84% P absorbida 75 kw (leído de gráica, igura A..) γ Q H su min istrada 9800 (N / m ) 0.4 (m Pabsorbida Potencia absorbida η W 75 kw /s) 7.5 (m) Carga de aspiración neta positiva requerida NPSH r 7.5 m NPSH disponible (NPSH d ) representa la energía que tiene el luido líquido en el punto de entrada A al impulsor de la bomba por encima de la presión de vapor p V y que se deine como: NPSH d p A U A p V + (A.5.4) γ g γ La NPSH d se puede calcular si se conocen los parámetros de la instalación. En el caso en estudio, al aplicar la ecuación de la energía entre la supericie libre del embalse (punto O), donde la presión es la atmosérica, p atm, y un punto A en la entrada de aspiración de la bomba se obtiene: NPSH d patm p v + (z O - z A ) h (A.5.5) γ γ donde h representa las pérdidas de carga en la tubería de aspiración del sistema de impulsión (que en este caso se desprecian). Para este cálculo normalmente se usan presiones absolutas debido a que la presión de vapor se especiica como una presión absoluta. De este modo, sustituyendo en la expresión (A.5.5) se tiene: patm p v NPSH d + (zo - z A ) h 0. (m) (m).4 (m) 7.9 m γ γ 7

8 Así NPSH d 7.9 m es mayor que NPSH r 7.5 m, por lo que no hay riesgo de cavitación y entonces se puede considerar el diseño correcto... Experiencia propuesta Se pide se plantee otra solución de diseño de la estación de bombeo considerando 6 grupos de bombas horizontales iguales en paralelo. Analice, compare y discuta los resultados obtenidos. 8