OERACIONES UNIARIAS 1 ROF. EDRO VARGAS UNEFM DO. ENERGÉICA Disponible en: www.operaciones1.wordpress.com BOMBAS CENRIFUGAS 1. Introducción Las bombas son dispositivos utilizados para que impulsen líquidos a través de sistemas de tuberías. ara ello deben movilizar la cantidad de caudal requerido además de vencer la carga que el sistema le impone. Voluta: En este dispositivo, el fluido con alta energía cinética por efecto del movimiento a la salida del impulsor es transformada en energía de presión. artes de la bomba La bomba está constituida a grandes rasgos por el motor, Este dispositivo genera el movimiento partiendo de una fuente de energía que puede ser un combustible o alguna toma de electricidad directa. El movimiento generado en el motor es transmitido al impulsor por medio del eje, el cual ace girar al impulsor. Este dispositivo se encarga de suministrarle la energía que viene desde el motor por el eje al fluido, impartiéndole un giro por el cual se le entrega energía al fluido en forma de energía cinética. Motor Figura 3. Voluta. Eje Descarga Voluta. Clasificación De acuerdo a la dirección del flujo respecto al impulsor, las bombas pueden ser clasificadas en bombas de Flujo radial, mezclado o axial. Esta clasificación puede ser realizada en función de un parámetro muy importante como lo constituye la velocidad específica de la bomba en las condiciones BE. Figura 1. Bomba centrifuga. N Q Ns 3 / 4 Donde: Q[GM] N[RM] [pies] Caudal manejado por la bomba. Velocidad de giro del impulsor. Cabezal desarrollado por la bomba. 500 5000 RM Flujo Radial 5000 10000 RM Flujo mezclado 10000 15000 RM Flujo axial Figura. Impulsor de una bomba centrifuga. Otro parámetro similar es lo que se conoce como la velocidad específica de succión. Este parámetro da información acerca de la posibilidad de cavitar de la bomba. N s N Q 3/ 4 NSH R
La cavitación es la formación de burbujas en el seno de la fase liquida, por efecto de bajos valores de presión a la succión de la bomba. Se recomienda N S <8500 para evitar cavitación. Velocidad especifica Radial Vane Francis Vane Flujo mezclado Flujo Axial Figura 4. Clasificación de bombas centrifugas de acuerdo a la dirección del flujo. arámetros operacionales Cabezal total: es la energía entregada por la bomba al fluido, escrita en longitud de líquido, y puede ser estimada mediante la siguiente relación. D S B Donde: D : resión a la descarga de la bomba [a] D : resión a la succión de la bomba [a] : eso especifico del fluido [N/m 3 ] Cuando la energía entregada por la bomba al fluido es expresada en unidades de potencia, el parámetro es conocido como otencia idráulica ( ) de la bomba BQ Donde Q: Caudal manejado por la bomba [m 3 /s] omando en consideración que ay pérdidas de energía en el interior de la bomba por efecto de la fricción y la turbulencia, en la práctica se requiere más potencia para impulsar la bomba que la que efectivamente se le transmite al fluido. or esta razón, la potencia que recibe la bomba, es conocida como otencia al freno (BH). BH x100% Cabezal neto de succión disponible (NSH R ) Este parámetro, representa la energía con que llega el fluido a la succión de la bomba. Es deseable que a la succión de la bomba la energía no sea demasiado baja, específicamente el termino de presión, ya que si esto sucede, parte del liquido que es bombeado, puede evaporarse, lo que formaría burbujas que pueden afectar enormemente el desempeño de la bomba. NSH R S V Donde S : resión a la succión de la bomba [a] V : resión de vapor del liquido [a] : eso especifico del fluido [N/m 3 ] ara evitar esto, se debe garantizar, que el NSH D > NSH R. Dependiendo de lo crítico del proceso se puede especificar que esta desigualdad sea desde un 10 asta un 100%. NSH D > 1,10 NSH R Leyes de afinidad Cuando una bomba cambia algunos de sus parámetros de operación, se plantea la interrogante de cómo se comportaran o impactara e cambio sobre el resto de las variables. ara este caso, existen relaciones matemáticas que nos ayudan a predecir la forma como impactaran los cambios en una variable operacional sobre el resto. Estas relaciones matemáticas, son conocidas como Leyes de Afinidad. De acuerdo a la variable que se modifica, pueden ser clasificadas como: cuando la velocidad varía 3 Q1 N1 a1 N1 a1 N1 Q N a N a N Cuando el diámetro del impulsor varía
Q1 D1 a1 D1 Q D a D Donde 1: Condiciones de operación en el caso 1. : Condiciones de operación en el caso. a : Cabezal desarrollado por la bomba. a1 : otencia consumida por la bomba. D: Diámetro del impulsor de la bomba. N: Velocidad de rotación del impulsor. Q: Caudal impulsado por la bomba. a1 a D D La velocidad permanece casi constante para cambios en la velocidad y cuando los cambios en el diámetro del impulsor son pequeños. Curvas características de las bombas Las curvas características de las bombas, representan el comportamiento de los parámetros de las bombas para el rango de caudales que estas manejen (Figura 5). 1 3 Capacidad de la bomba (GM) Figura 6. Curva cabezal vs capacidad Con frecuencia para una misma bomba con diferentes tamaños de impulsor, las curvas, son mostradas en una misma figura (Figura 7). Se puede observar como a medida que el impulsor tiene un diámetro mayor, la misma bomba puede desarrollar un cabezal más alto a las mismas condiciones de caudal. Carga Eficiencia otencia (Hp) Capacidad (GM) Figura 5. Curvas características de bombas. Curva cabezal vs capacidad Es la primera de las curvas características que se estudian. Muestra el comportamiento del cabezal desarrollado por la bomba a medida que se varía el caudal manejado. En esta curva característica, a medida que se incrementa el caudal manejado por la bomba, disminuye el cabezal desarrollado por esta (Figura 6). La forma como cae el cabezal a medida que aumenta el caudal depende en particular de cada bomba, existen unas bombas de pendientes pronunciadas, en las que para pequeñas variaciones de caudal reflejan altas variaciones en el cabezal desarrollado, y existen curvas de comportamiento más estable. Capacidad Figura 7. Curva cabezal vs capacidad para diferentes diámetros de impulsor Curvas de eficiencia Las curvas de eficiencia muestran el comportamiento de la eficiencia de la bomba en una región determinada (Figura 8). Es deseable que se opere en la región de los puntos de mejor eficiencia de la bomba Capacidad (GM) Figura 8. Curvas de eficiencias para las bombas
Curvas de potencia Capacidad (GM) Figura 9. Curvas de potencias para las bombas Curvas de NSH R En estas curvas se especifican los requerimientos de la bomba relativos a la energía necesaria del fluido a la succión de la bomba para evitar cavitación. Capacidad (GM) Figura 9. Curvas de NSH R para las bombas Con frecuencia, todas las figuras mostradas anteriormente, son presentadas en una figura única, de la siguiente forma: Capacidad (GM) Figura 10. Curva característica de una bomba Bombas en serie y paralelo Cuando dos bombas o más operan de manera simultánea el nuevo sistema, tiene una característica de operación que tiene una relación directa con las características individuales de cada bomba y con la forma como estén dispuestas. El primer arreglo que estudiaremos es un sistema de bombas en serie. ara este arreglo la descarga de una bomba se conecta a la succión de la otra. or esta razón ambas bombas manejan el mismo caudal. Figura 1. Sistema de bombas en serie Dado que las bombas están una, a continuación de la otra, el cabezal total desarrollado por el arreglo es la suma del cabezal que incrementa cada bomba, lo cual es mostrado en la figura 13. B1 B
Q Q B1 Q B Curva del sistema Supongamos que se quiere determinar los requerimientos energéticos de una bomba que opera en un sistema como el mostrado en la figura 16. Capacidad Figura 13. Curva de operación de bombas en serie Figura 16. Sistema de bombeo. El otro sistema que comúnmente se utiliza, es el arreglo de bombas en paralelo (Figura 14). En este caso el caudal total manejado por el sistema, es la contribución de los caudales individuales de cada bomba. Y dado que tienen succión y descargas unidas, necesariamente, el cabezal desarrollado por cada una de las bombas, debe ser igual. Q Q B1 Q B1 B B De esta forma, el comportamiento del arreglo como un sistema, se puede representar mediante la figura 15. Q Q 1 Q Figura 14. Sistema de bombas en paralelo Q ara ello se escribe la ecuación de Bernoulli entre los puntos 1 4 de sistema. 1 V1 4 V4 z1 B z4 L K B g z L K g El termino B, despejado del balance de Bernoulli, se conoce como el cabezal del sistema. Visto desde el punto de vista del sistema, es el cabezal que este necesita de la bomba para cumplir con las condiciones especificadas entre los puntos 1 4. De acuerdo al balance de la ecuación de Bernoulli, encontramos que el cabezal de la bomba obtenido de la ecuación del sistema, contiene dos contribuciones que podríamos diferenciar. La primera, que no depende de la velocidad y el caudal del sistema, y la otra que si depende de esta. La contribución que no depende del caudal, se conoce como cabezal estático, y la que depende del caudal, se conoce como cabezal friccional. Este último, depende esencialmente de las pérdidas de energía del sistema, las cuales se incrementan a medida que sucede lo mismo con el caudal del sistema (Figura 17). Capacidad Figura 15. Curva de operación de bombas en paralelo 3 Si el sistema presenta el mismo diámetro de la tubería, podemos reescribir la expresión para el cabezal del sistema de la siguiente forma: B Q z ga Q B z ga L f f D K L D Eq K
Cabezal del sistema ( Bsist ) Friccional Estático Caudal (Q) Figura 17. Cabezal del sistema. unto de operación del sistema El punto de operación real, entre la bomba y el sistema, tendrá lugar en el punto donde se intercepten la curva cabezal vs caudal de la bomba (curva característica), con la curva de cabezal del sistema. Curva del sistema Curva de la bomba unto de operación Donde K es el coeficiente de resistencia de toda la tubería con accesorios. K L f f D L D Eq K Capacidad de la bomba (GM)