10. RENDIMIENTO HIDRÁULICO

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1 10. RENDIMIENTO HIDRÁULICO Para comprender realmente una bomba para lodos y su sistema, es esencial tener nociones básicas sobre el rendimiento de una bomba para lodos y cómo funciona junto con el sistema de tuberías de la instalación. El rendimiento hidráulico de una bomba para lodos depende de dos aspectos hidráulicos igualmente importantes: I. Las condiciones hidráulicas en el interior de la bomba para lodos y el sistema al que alimenta que cubre: el rendimiento de la bomba para lodos (altura de descarga y capacidad) la tubería de descarga y el sistema para lodos (pérdidas por fricción) los efectos del lodo sobre el rendimiento de la bomba II. Las condiciones hidráulicas en el lado de alimentación de la bomba que cubre: la altura de entrada o elevación, positiva o negativa la presión barométrica (dependiendo de la altitud y clima) las tuberías de entrada (pérdidas por fricción) la temperatura del lodo (presión de vapor del lodo) Para lograr un funcionamiento óptimo hay que tener en cuentas estados dos condiciones hidráulicas ya que son igualmente importantes Rendimiento hidráulico

2 Curvas de bombeo Tipos de curvas de bombeo H/Q Altura El rendimiento de una bomba para pulpa normalmente se ilustra por eluso de curvas de rendimiento de agua limpia. La curva básica para el rendimiento es la curva de Altura/Capacidad H/Q: Head/Capacity), mostrando la relación entre la altura de descarga de pulpa y la capacidad (el volumen de flujo) a una velocidad del impulsor constante. Comentarios: Capacidad Curva ascendente para cierre de válvula Especificado a veces (estable) Altura Capacidad Curva en caída Inaceptable a veces para cierre de válvula (inestable) Altura Capacidad Curva pronunciada Deseable a veces Altura Capacidad Curva plana La mayoría de bombas para lodos Rendimiento hidráulico 10-56

3 Rendimiento hidráulico: curvas necesarias Para poder ofrece una descripción completa del rendimiento de una bomba para lodos necesitamos las siguientes curvas: 1. Altura diferencial de la bomba como función del caudal (curva HQ) 2. Curva de eficacia como función del caudal 3. Potencia (entrada) como función del caudal 4. Características de cavitación como función del caudal (NPSH, altura neta de succión positiva) Altura Capacidad CAPACI- Nota: Todas las curvas para la altura, potencia y eficacia sólo serán válidas si la altura en la entrada de la bomba es suficiente. Si no es así, el rendimiento de la bomba se reducirá o no se alcanzará. A continuación se proporciona más información sobre la NPSH Rendimiento hidráulico

4 Curvas H/Q: leyes de afinidad de la bomba Para ser capaz de describir el rendimiento de una bomba para lodos a varias velocidades o diámetros de impulsor, será necesario trazar un rango de curvas. Para hacerlo se utilizan las leyes de afinidad de las bombas. Leyes para diámetro de impulsor fijo Para el cambio en la velocidad con un diámetro del impulsor fijo se aplican las siguientes leyes, donde: H = Altura Q = Capacidad N = Velocidad P = Potencia Se calculan Q1, H1 y P1 a una velocidad dada N1 y Q2, H2 y P2 a la nueva velocidad N2 Q1/Q2 = N1/N2 o bien, Q2 = Q1 x N2/N1 H1/H2 = (N1/N2) 2 o bien, H2 = H1 x (N2/N1) 2 P1/P2 = (N1/N2) 3 o bien, P2 = P1 x (N2/N1) 3 La eficacia no sufre prácticamente variaciones. Curva hq n 1 Curva de potencia Rendimiento hidráulico 10-58

5 Leyes para velocidad de impulsor fija Para un cambio en el diámetro del impulsor con una velocidad fija se aplican las leyes siguientes, donde: H = Altura Q = Capacidad N = Velocidad P = Potencia Se calculan Q1, H1 y P1 a un diámetro dado D1 y Q2, H2 y P2 con el nuevo diámetro D2: Q1/Q2 = D1/D2 o bien, Q2 = Q1x D2/D1 H1/H2 = (D1/D2) 2 o bien, H2 = H1(D2/D1) 2 P1/P2 = (D1/D2) 3 o bien, P2-= P1x(D2/D1) 3 Curva hq d 1 Curva de potencia Efectos del lodo en el rendimiento de la bomba Tal y como se ha mencionado anteriormente, las curvas de rendimiento de la bomba se basan en pruebas con agua limpia. Por ello, será necesario realizar correcciones al bombear lodo. El lodo debe tratarse como lodo con sedimentos o lodo sin sedimentos (viscoso). Normalmente los lodos con un tamaño de partícula <50 micras se tratan como lodos sin sedimentos (viscosos) Rendimiento hidráulico

6 Rendimiento de la bomba con lodos con sedimentos Para lodos con sedimentos y cálculos manuales, la correlación de Cave es el método que se utiliza más comúnmente para calcular los efectos de los sólidos en el rendimiento de la bomba. Métodos posteriores, como el de Metso Minerals, que emplea el software PumpDim para dimensionamiento de bombas, incluye también la influencia del tamaño de la bomba. Estos métodos son más precisos, ya que el método de Cave es a menudo muy conservador. Esto ofrece un factor de corrección HR/ER derivado del tamaño medio de partícula sólida, (d50), densidad y concentración. La relación de altura HR es igual a la relación de eficacia ER. Altura del lodo/hr = Curva de la carga hidrostática. Eficacia del lodo = Eficiencia de agua x ER. Derrateo del rendimiento conocido del agua para servicios con lodos en términos de altura diferencial y eficacia. HR/ER - Relación de altura y eficacia. La carga hidrostática (y caudal) se utiliza para determinar la velocidad de la bomba y la eficacia del agua. La altura y eficacia del lodo se utilizan para calcular la potencia. RELACIÓN DE ALTURA (HR) o RELACIÓN DE EFICACIA (ER) Concentración de sólidos (% masa) Densidad relativa de sólidos DIÁMETRO MEDIO DE PARTÍCULA (d50), /(mm) Derrateo del rendimiento conocido del agua para servicios con lodos en términos de altura diferencial y eficacia. HR/ER - Relación de altura y eficacia. Rendimiento hidráulico 10-60

7 Rendimiento de la bomba con lodos sin sedimentos (viscosos) Para lodos viscosos el rendimiento de la bomba se derratea de acuerdo con las pautas del American Hydraulics Institute. Estos gráficos utilizan la viscosidad real para derratear la bomba y no la viscosidad aparente. Consulte la página 11:87 y posteriores donde se explica la diferencia entre la viscosidad real y aparente. Hay que indicar que el derrateo de la altura, la eficacia y el caudal se calculan desde el punto de mayor eficacia (BEP) nominal de la bomba y no desde el punto de servicio. En el caso de las bombas para lodos, estos factores de corrección pueden considerarse como muy conservadores ya que todo el trabajo de desarrollo realizado por el American Hydraulics Institute se ejecutó con bombas de procesos con impulsores estrechos. En las bombas para lodos se emplean tradicionalmente impulsores muy anchos que, por lo tanto, se ven menos afectados. Viscoso Agua Agua Potencia Viscoso Agua Eficiencia Viscoso Capacidad Curva típica para lodos sin sedimentos Rendimiento hidráulico

8 capacidad en 100 USGPM (en el BEP) Fig. 63 TABLA DE CORRECCIÓN DE RENDIMIENTO Tabla de corrección para líquidos viscosos Rendimiento hidráulico 10-62

9 Altura y presión Es importante comprender la diferencia altura (head) y presión al hablar sobre el rendimiento de una bomba para lodos. Las bombas centrifugas generan altura, no presión Ejemplo Para una bomba que genera una carga hidrostática de 51 m, la presión manométrica debería ser de 5 bares. Si ser trata de lodos pesados con una SG (gravedad específica) de 1,5; los 51 metros debería mostrar una lectura manométrica de 7,5 bares. En servicios con aceite de combustible ligero con una S.G de 0,75; los 51 metros mostrarían una lectura manométrica de 3,75 bares. Agua Pulpa Fueloil Nota: para la misma altura, la lectura manométrica y la potencia requerida de la bomba variarán con la gravedad específica. Problemas con la medición de la altura con un manómetro Incluso si el manómetro está configurado para mostrar metros, lo que realmente mide es la presión. Si la gravedad específica es cambiante, cuál será la altura de bombeo? Fueloil Agua Pulpa Rendimiento hidráulico

10 Condiciones hidráulicas el lado de alimentación Altura de succión positiva neta (NPSH) Para garantizar un rendimiento satisfactorio de la bomba para lodos, el líquido debe estar en todo momento por encima de la presión del vapor en el interior de la bomba. Esto se logra teniendo presión suficiente en el lado de succión (entrada) de la bomba. Esta presión requerida se denomina: Altura de succión positiva neta, denominada como NPSH* (NET POSITIVE SUCTION HEAD). Si la presión de entrada es, por cualquier causa, excesivamente baja, la presión de entrada de la bomba disminuiría hasta la presión más baja posible del líquido bombeado, la presión de vapor. Presión de vapor y cavitación *La denominación NPSH es una nomenclatura estándar internacional reconocida en la mayoría de los idiomas. Cuando la presión local cae hasta la presión de vapor del líquido, comienzan a formarse burbujas. Estas burbujas son transportadas por el líquido a zonas con presiones más altas donde colapsan (se condensan) creando presiones locales extremadamente altas (hasta bares), que pueden erosionar la superficie de la bomba. Estas mini explosiones se denominan cavitación. Más información en la página 10:65. Rendimiento hidráulico 10-64

11 La cavitación no es, como se explica a veces, atribuible al aire atrapado en el líquido. Se trata del líquido en ebullición a temperatura ambiente, debido a la reducción de la presión. A nivel del mar la presión atmosférica es de 1 bar y el agua hierve a 100 C. A una altitud de m la presión atmosférica también se reduce hasta 0,72 bares y el agua hierve a 92 C. Consulte la tabla de la página y el diagrama de en página 10:67. Uno de los principales efectos de la cavitación es una marcada caída de la eficacia de la bomba, provocada por la caída de la capacidad y la altura. También pueden producirse vibraciones y daños mecánicos. La cavitación se convierte principalmente en un problema cuando: El emplazamiento está a gran altitud Cuando funciona con altura de aspiración. Consulte también la página 10:69 Al bombear líquidos temperaturas muy altas Una NPSH excesivamente baja provocará cavitación. Es importante verificar el NPSH bajo el procedimiento de dimensionamiento y a la puesta en marcha. Cómo se calcula LA NPSH? Cómo sabemos cuál es la NPSH (altura de entrada) que estamos buscando? Para todas las bombas hay siempre se requiere un valor para la NPSH, conocido como NPSHR. Este valor no se calcula, es una propiedad de la bomba. En todas las curva de bombeo se muestra este valor requerido de la NPSH para varios caudales y velocidades. El sistema debe ofrecer la NPSH disponible conocida como NPSHA Rendimiento hidráulico

12 Ahora nosotros tenemos que verificar el valor disponible de NPSH, (NPSHA) en el lado de la succión. Nota: El valor de la NPSHA disponible debe exceder siempre el valor de la NPSHR requerida. NPSH: cálculos Nosotros tenemos que resumir todas las cargas hidrostáticas y deducir todas las pérdidas en el sistema de tuberías del lado de entrada. Algunas cifras útiles: La presión atmosférica en la altura de agua (metros) requerida para generar 1 ATM de presión a altitudes diferentes (metros por encima del nivel del mar, metres Above Sea Level). masl H 2 O Carga hidrostática (m) 0 10, , , ,1 Rendimiento hidráulico 10-66

13 (m) 10 Presión Vapour de Pressure vapor Temperature Temperatura (C ( C) o ) La curva muestra la presión de vapor para el agua a distintas temperaturas( o C.) Fórmula para el cálculo de NPSHA NPSH A = presión ATM en m de agua + (-) altura de elevación pérdidas del sistema - presión de vapor Ejemplo: La instalación de una bomba para lodos Metso tipo HM 150 a gran altitud en, por ejemplo Chuquicamata, Chile. Servicio: altura de 65 m a 440 m 3 /hora Ubicación de la planta: m por encima del nivel del mar ofrece una presión atm de 7,3 m Ubicación del punto altura de 2 m (2 m por debajo de alimentación: de la entrada de la bomba) Fricción en las tuberías 0.5 m de entrada: Temperatura media de 22 o C, lo que ofrece una presión de funcionamiento vapor de 0,3 m La NPSHA es de 7,3-2,0-0,5-0,3 = 4,5 m La NPSHR de acuerdo a la curva de rendimiento de la bomba es de 6 m La NPSHA disponible de 1,5 m es demasiado baja. La misma instalación en el norte de Europa, al nivel del mar, habría dado un valor de NPSH disponible de 7,5 m. La NPSHA disponible es correcta Rendimiento hidráulico

14 Cavitación: resumen Si la NPSHA es menor que la NPSHR el líquido se evaporará en el ojo del impulsor. Si la cavitación aumenta, las cantidades de burbujas de vapor restringirán severamente el caudal disponible en el área de la sección transversal y la bomba pueden bloquearse realmente con el vapor, impidiendo el paso de líquido desde el impulsor. Cuando las burbujas de vapor se mueven a través del impulsor hasta zonas de presión más alta, se colapsan con tal fuerza que pueden provocar daños mecánicos. La cavitación suave puede producir algo más que una reducción de la eficacia y un desgaste moderado. Si la cavitación es severa se producirán ruidos excesivos, vibraciones y daños. Nota: Las bomba para lodos sufren menos daño por cavitación debido a su diseño pesado, por sus anchos conductos hidráulicos y los materiales empleados en su construcción si se comparan con las bombas para procesos. Rendimiento hidráulico 10-68

15 Bombas que funcionan con altura de aspiración Al calcular el servicio de la bomba en los altos Andes en la página 10:67 anterior, la aspiración era un aspecto crítico. Normalmente, una bomba para lodos estándar funcionará satisfactoriamente en aplicaciones de altura de aspiración, sin embargo, sólo dentro de los límites del diseño de la bomba, lo que quiere decir que. la NPSHR requerida es más baja que la NPSHA disponible La altura de aspiración máxima se calcula fácilmente para cada aplicación con la fórmula siguiente. Altura de aspiración máxima posible = atms. de presión - NPSHR - presión de vapor. Cebado de las bomba para lodos Para cualquier bomba centrífuga necesitaremos sustituir el aire en el lado húmedo por líquido. Esto puede hacerse manualmente, pero normalmente estas aplicaciones se encuentran en entornos industriales dónde se requiere de dispositivos automáticos Rendimiento hidráulico

16 Cebado automático Para el cebado automático se puede utilizar un sistema de auto cebado asistido por vacío El sistema requiere estos componentes básicos agregados a la bomba para lodos: 1. Bomba de vacío accionada continuamente por el eje de la bomba principal, evacuando el aire de la carcasa de la bomba. 2. Depósito de cebado fijado con pernos al lado de succión de la bomba, regulando el nivel de agua y evitando el acceso de líquido a la bomba de vacío. 3. Descarga, válvula sin retorno, instalada en la salida de la bomba, aislando la línea de descarga durante las condiciones de cebado. Rendimiento hidráulico 10-70

17 Bombeo de espuma La bomba de espuma (de procesos de flotación u otros) representa un problema clásico en el bombeo de lodos. Cómo afecta la espuma al rendimiento hidráulico? En un sistema de bomba horizontal el problema ocurre cuando el lodo espumoso entra en contacto con el impulsor en movimiento. En esta situación la espuma empieza a girar en la entrada de la bomba. La fuerza centrífuga crea una separación de líquido y aire, expulsando el líquido al exterior y recogiendo el aire al centro. El aire atrapado bloquea la ruta de acceso del lodo a la bomba y el rendimiento hidráulico de la bomba disminuye. El nivel de líquido en el sumidero comienza a elevarse, aumenta la presión en la entrada, comprimiendo el aire atrapado hasta que el lodo alcanza de nuevo las paletas del impulsor Rendimiento hidráulico

18 Ahora comienza de nuevo el bombeo y se expulsa el aire atrapado. Sin embargo, comenzará a desarrollarse un nuevo bloqueo de aire y se repetirá el cambio de rendimiento. Y esto continuará repitiéndose. El resultado es un rendimiento cambiante. La espuma en el dimensionamiento de las bombas horizontales Si las bombas horizontales para lodos son la única opción, deben seguirse las siguientes reglas para mejorar el rendimiento hidráulico. Sobredimensionar la bomba Una gran entrada permite que escape más aire Una entrada más ancha es más difícil de obstruir Evitar estrangulamientos en la bomba La tubería de entrada debe tener al menos el mismo tamaño que la de descarga 6-10 m Aumentar la altura del sumidero Para que el sumidero sea efectivo debe tener una altura de 6-10 m Rendimiento hidráulico 10-72

19 Bombas verticales para lodos: la opción óptima para el bombeo de espuma Las bombas verticales para lodos se desarrollaron originalmente para caudales fluctuantes de lodo y el bombeo de espuma. Los dos tipos de bombas verticales para lodos VT y VS (abajo) pueden usarse para el bombeo de espuma. La bomba para lodos VT (abajo) consiste en una bomba y un sumidero integrados en una unidad. La carcasa de la bomba se encuentra bajo el sumidero y esta conectada al mismo a través de un agujero en el fondo de este. El aire, concentrado en el centro del impulsor simplemente se libera a lo largo del eje. La bomba para lodos VS (abajo) tiene la entrada de alimentación en el fondo de la carcasa. El impulsor tiene las paletas en el lado más bajo y pequeñas paletas de sellado en la parte superior. En el diseño básico de la bomba VS la carcasa tiene dos agujeros de inyección. La carcasa se desairea constantemente a través de estos agujeros Rendimiento hidráulico

20 La VF - diseñada para el bombeo de espuma VF (bomba vertical de espuma) está diseña específicamente para el bombeo de espuma. Criterio de diseño La función Las ventajas El eje de la bomba se localiza en el centro del estanque. El estanque es cónico y tapado. El estanque tiene una alimentación tangencial La entrada tangencial genera una fuerte acción de vórtice en el sumidero cónico, similar a la función de un hidrociclón. Las fuerzas tangenciales y centrífugas en este vórtice separan (o destruyen) la unión entre las burbujas de aire y los sólidos, separando el aire y el lodo. El aire libre se libera a lo largo del eje del centro, lo que ofrece un rendimiento sin bloqueos. El sumidero tapado con su buscador de vórtice patentado aumenta el rendimiento y reduce los derrames. Aumenta la capacidad a través del sistema de bombeo. Reduce los derrames de la bomba con cargas altas. Rendimiento hidráulico 10-74

21 10-75 Rendimiento hidráulico

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