BOMBAS - MECÁNICA DE FLUIDOS

Escuela de Ingeniería Química e Ingeniería en Industrias

Mecánica de Fluidos Mercedes Alexandra Villa Achupallas

que tratemos temas como procesos químicos, y de cualquier circulación de fluidos estamos, de alguna manera entrando en el tema de bombas.


Siempre


El

funcionamiento en si de la bomba será el de un convertidor de energía, o sea, transformara la energía mecánica en energía cinética, generando presión y velocidad en

el fluido.


Maquina

hidráulica que convierte la energía mecánica en energía de presión, transferida a un fluido.


Existen

muchos tipos de bombas para diferentes aplicaciones.


Las

bombas se clasifican en tres tipos

principales: 1. De émbolo alternativo 2. De émbolo rotativo 3. Rotó dinámicas


Los

factores más importantes que permiten escoger un sistema de bombeo adecuado son: 1. 2. 3. 4.

Presión última, Presión de proceso, Velocidad de bombeo, Tipo de fluido a bombear (la eficiencia de cada bomba varía según el fluido).


De

Bernoulli, sabemos que la línea de energía esta dada por la suma de la carga de posición, carga de presión y carga de velocidad.


Al

trabajar con fluidos reales, se debe tener en cuenta las pérdidas que se producen por rozamiento con la tubería que contiene el fluido, y por accesorios.


Si

aplicamos el Bernoulli al caso de una bomba, hay que hacerlo entre la brida de aspiración (A) y la de impulsión (I), y se debe tener en cuenta la energía que proporciona la bomba al fluido (altura de la bomba, Hb), quedando la ecuación:

• Todas las alturas (de presión, velocidad, geodésico y de la bomba) se suelen expresar en metros de columna de líquido (m.c.l.).


Altura

en función del caudal: H = H(Q)


Rendimiento


Potencia


Las

en función del caudal: η = η

(Q)

en función del caudal: P = P(Q)

constantes: A,B,C,D y proporcionados por el fabricante.

E

son

Si combinamos la curva de carga del sistema con la curva de potencia de la bomba, obtenemos el punto de intersección de ambas, las características de funcionamiento, es decir el gasto y la altura con las cuales funcionará la bomba

Si se requiere alcanzar mayor elevación o altura.

Si se requiere conducir mayor caudal.


Hay

que considerar las siguientes alturas de elevación:


Aspiración:

Elevando el agua desde su nivel hasta la bomba, por medio de la tubería de aspiración. En esta fase la bomba ejerce un vacío en la tubería de aspiración, con el fin de que el agua pueda subir por ella impulsada por la presión atmosférica.
Impulsión: Conducción del agua desde la bomba hasta su destino, por medio de la tubería de impulsión. En esta fase la bomba ejerce la presión necesaria para que el agua se traslade a lo largo de la tubería de impulsión.

Altura geométrica de aspiración (Ha): Es la distancia vertical existente entre el eje de la bomba y el nivel inferior del agua.
Altura geométrica de impulsión (Hi): Es la distancia vertical existente entre el nivel superior del agua (superficie del agua en el depósito de impulsión o el punto de descarga libre de la tubería de impulsión) y el eje de la bomba.
Altura geométrica de elevación: Es la distancia vertical existente entre los niveles superior e inferior del agua.
Altura manométrica de aspiración: (Ha+ Hf) Es igual a la altura geométrica de aspiración más las pérdidas de carga en la tubería de aspiración.



Altura

manométrica de impulsión: (Hi+Hf)Es igual a la altura geométrica de impulsión más las pérdidas de carga en la tubería de impulsión.
Altura manométrica total o altura total de elevación (Hm): Es la suma de las alturas manométricas de aspiración e impulsión.
Esta debe ser suministrada por la bomba, y es independiente del peso específico del líquido, por lo que sólo puede expresarse en metros de columna de agua (mca).

Desplazamiento: Es el caudal teórico que entrega la bomba (ejm: gal/min, m³/s, l/s).
Deslizamiento: Es la pérdida de caudal debido a las curvas del líquido dentro de la bomba.
Capacidad: Caudal verdadero que produce la bomba y es igual al caudal de desplazamiento menos el caudal de deslizamiento.
Potencia hidráulica: Es la potencia requerida por la bomba sólo para elevar el líquido
Potencia absorbida ó alfreno: Es igual a la potencia hidráulica + la potencia consumida para vencer rozamientos.





En una instalación de bombeo que está formada por dos bombas iguales asociadas en paralelo se bombea agua a un depósito superior que se encuentra a una altura geométrica Zc=63 m.


Cada

bomba cuenta con su propia aspiración de característica resistente H=K1 Q² y con una carga o altura positiva de Zb =3 m sobre el depósito de aspiración; las impulsiones de las dos bombas están conectadas a una misma conducción cuya característica resistente nos viene dada por H=K2 Q².


Cuando

funcionan separadamente, vemos que cada bomba nos impulsa un caudal Q=1250 (l/min) con una presión manométrica H=10 (kg/cm²), pero cuando están funcionando en paralelo el caudal total bombeado es Q=1800 (l/min) y la presión de H=13 (kg/cm²).


a)

Indicar razonadamente por qué dan un caudal más pequeño cuando funcionan en paralelo?.


b).-

Determinar las características resistentes de la tubería de aspiración y de la de impulsión.


Datos:
Altura

geométrica:  Asumo que Za= 0m  Zb=

3m


Bombas

Zc=63m

trabajando Separadamente:

 Q1=1250l/min

= 20.83 l/s  H1= 10 Kg/cm2 = 100 mca
Bombas

 Q2=

en Paralelo:

1800 l/min = 30 l/s  H2= 13 Kg/cm2 = 130 mca


El

término en Q de la curva Hb se acostumbra a suprimirse en base a que representa la parte ascendente de la gráfica lejos de los puntos de funcionamiento recomendados para la bomba siendo F = 0, con lo que la ecuación se resumiría a:

Sistema de 2 ecuaciones y dos incógnitas, que es posible resolver:


Resolviendo

las ecuaciones, tenemos que:


Sustituyendo

en la ecuación de Altura en función del caudal tenemos:


Curva

resistente del Sistema:


Corresponde

a la suma de la altura geométrica del sistema y las pérdidas generadas en los procesos de Aspiración e Impulsión.
De acuerdo con la información proporcionada por el fabricante, el coeficiente de pérdidas por aspiración es K1=0.070843259 y el coeficiente de pérdidas por impulsión es K2=0.014404741

Pérdidas en proceso de Aspiración:
Hfa=Ka.Q2=0.070843259Q2


Pérdidas en proceso de Impulsión:
Hfi=Ka.Q2=0.014404741Q2





De aquí que Hr:

(63-0)+0.070843259Q2+0.014404741Q2
Hr = 63 + 0.0852480 Q2
Hr=


En

base a las ecuaciones generadas, despejamos el caudal que genera una bomba en base a su altura de tal forma que:



Considerando

162.292 

0.143522

que el sistema funciona con dos bombas acopladas en paralelo, el caudal se duplica.
Con base en estas ecuaciones, se puede generar una tabla de datos y graficar las curvas características de la bomba.

Se da valores de Hb a partir de 162.292 m a 0m.
Con el caudal generado por el trabajo de una bomba, se obtienen las alturas para la curva resistiva.


b)




Bombas trabajando Separadamente:  

Q1=1250l/min = 20.83 l/s H1= 10 Kg/cm2 = 100 mca


Bombas

 Q2=

en Paralelo:

1800 l/min = 30 l/s  H2= 13 Kg/cm2 = 130 mca


Despejando

de las ecuaciones:


Kaspiración=

K1= 0.070843259
Kimpulsión= K2= 0.014404741
Trabajando con las ecuaciones obtenidas al agregar una línea de tendencia a las curvas de bombas:

Y=Y -0.1435Q2+162.29=4E-16Q2+0.0852Q+63 -0.1435Q2-0.0852Q+99.29=0 Q=26.009 l/s

Y=Y -0.0359Q2+162.29=4E-16Q2+0.0852Q+63 -0.0359Q2-0.0852Q+99.29=0 Q=51.42 l/s

a)

Caudal por dos bombas iguales funcionando en paralelo Q"=51.42L/s

b) El caudal de una sola bomba es Q' = 26.09 L/s. Diremos entonces que cuando trabajan en paralelo dan un caudal superior que si trabajaran aisladas por el efecto de las pérdidas que provoca el sistema resistente (curva de resistencia del sistema).

bombas de fábricas textiles manejan colorantes, agua, sulfuros de carbono, ácidos, sosa cáustica, sosa comercial, acetatos, solventes, decolorantes, alcoholes, sales, peróxidos de hidrógeno, sales, engomado y butano.
Se usan muchas bombas de medición y dosificación en las aplicaciones textiles para manejar las soluciones de decolorantes, control de pH del agua de lavado de las fibras sintéticas, control de color en el teñido, carbonización de la lana, etc.
Las

Las principales aplicaciones dentro de la industria siderúrgica son: enfriamiento de molinos, enfriamiento de hornos, servicios de suministro de agua, remoción de escoria en los lingotes, etc.
El proceso de remoción de escoria mediante el impacto de un chorro de agua, requiere bombas con presiones superiores a las 1,800 lb/plg2 .
Debido a que la industria siderúrgica tiene procesos continuos se requieren más bombas duraderas lo cual obliga al fabricante a usar materiales de alta resistencia.


fluidos que se manejan para refrigeración son salmueras, agua, freones, amoniaco, etano, propano, etc. El manejo de los mismos requiere construcciones especiales.
Las bombas de salmuera están construidas totalmente de hierro, si manejan salmuera de cloruro de calcio y totalmente de bronce si está es de cloruro de sodio. Las bombas que trabajan esa salmuera a baja temperatura generalmente están aisladas con corcho granulado.
Los


Debido

a que su consumo ha aumentado tremendamente, se necesita bombearlo a través de grandes distancias. Desde los pozos el gas llega por bombeo a las plantas de absorción donde es tratado a fin de separar impurezas tales como ácidos sulfhídrico, bióxido de carbono, y substancias condensables, obteniéndose el gas seco.
Para bombear el gas emplean motores de gas provistos de pistones reciprocantes que trabajan en ángulo recto o a 180º


Las

bombas que manejan aguas residuales tanto en pequeños sistemas industriales como en los grandes de bombeo de ARD, son bombas centrífugas con impulsores de flujo mixto o de flujo axial que pueden manejar gastos elevados con presiones moderadas.
El desalojo de ARD se puede efectuar por gravedad o bombeo. La ventaja de este procedimiento reside en que no ocasiona costos altos de mantenimiento, aunque los costos de construcción suelen ser elevados.

Generalmente las bombas para el manejo de alimentos o “bombas sanitarias” como también se las conoce, deben tener características especiales que no son necesarias en otros tipos de servicio.
Las bombas generalmente están hechas de acero inoxidable, monel, aluminio, hierro, cristal, porcelana u otras aleaciones especiales, las tuberías y accesorios son de acero inoxidable, aleaciones de níquel, hule duro, cristal o plástico.
Dichas bombas suelen ser centrífugas, rotatorias o reciprocantes y se fabrican en una gran variedad de tipos, según el fluido a manejar.





Para esta aplicación específica, las bombas sanitarias deben reunir las características siguientes: a) Gran resistencia a la corrosión. b) No deben producir espuma o triturar los alimentos. c) Deben ser fáciles de limpiar interiormente d) Poseer un sistema de lubricación totalmente estanco. e) Tener el meno número de partes que se desgasten durante su funcionamiento. f) Sus empaques deben estar totalmente sellados del lado interior de la carcaza g) Las superficies interiores de las carcazas deben ser tersas y sin esquinas.


La

industria farmacéutica, es una de las que tienen los más altos índices de crecimiento. Para sus procesos utiliza gran variedad de bombas las que incluyen bombas de vacío, comprensoras, bombas para substancias químicas, agua tratada, vapores, gases licuados, etc.

La industria química es la que presenta problemas de bombeo más complejos y la que requiere bombas para manejar substancias de diferente naturaleza.
Las materias primas en estado líquido generalmente son abastecidas en carros tanque de donde deben bombearse a través de las diferentes partes del sistema de tubería. Dichos líquidos tienen distinta composición química.
Existen diseños especiales para bombear metales fundidos y para manejar substancias con sólidos en suspensión, tales como pulpas químicas, residuos de cinc, dolomita, bauxita, etc.



Estas

manejan una gran variedad de ácidos, jugos de fruta, leche, etc.
El cristal resiste todos los ácidos y compuestos químicos, excepto el ácido fluorhídrico y el ácido fosfórico glacial. Las bombas de cristal no se recomiendan para manejar soluciones alcalinas.
Debe analizar todas las posibles aplicaciones de las bombas para las diferentes substancias.


Las

bombas que se usan en la industria petrolera se dividen en 8 grupos: perforación, producción, transporte, refinería, fracturación, pozos submarinos, portátiles y de dosificación.
En perforación, se usan las llamadas bombas de lodo, como la que se muestra en la figura 221. Estas bombas son casi siempre del tipo reciprocante. Deben desarrollar presiones altas a veces, superiores a los 200 kg/cm2. El lodo de perforación que manejan estas bombas pesa entre 2 y 20 kg/litro.

En producción se usan cuatro tipos de sistemas de bombeo para extraer el crudo de los pozos de producción y descargarlo a nivel del suelo: sistema de cilindro de succión, sistema hidráulico, sistema sumergible y sistema de elevación por gas. Hay algunos pozos que no necesitan bombeo ya que es suficiente la presión del crudo.
El transporte de líquidos en la industria petrolera se hace a través de miles de kilómetros en el mundo entero, tanto en oleoductos, petróleoductos propiamente dichos y gasoductos. En ciertos casos el ducto puede servir para transportar diferentes fluidos.



Las

estaciones de bombeo están instaladas a intervalos adecuados, a lo largo del ducto, pues aun en terreno plano, las cargas de fricción son grandes y se requieren bombas de alta presión.
Durante todo el año las bombas de estos oleoductos están expuestas a grandes cambios de temperatura. o Este problema y el de las grandes presiones requiere que se usen bombas de diseños especiales

HIDRÁULICA DE TUBERÍAS, DE PHD. JUAN SALDARRIAGA. MECÁNICA DE FLUIDOS. CLAUDIO MATAIX. APUNTES DE CLASE DE HIDRÁULICA I. PROFESOR: ING. HOLGER BENAVIDES ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL DE LA UTPL, 2006. BOMBAS TEORIA, DISEÑO Y ALICACIONES, ING. MANUEL VIEJO ZUBICARAY, ED. LIMUSA MÉXICO 1996 WEB. USAL. ES /~ TONI DM/ DEI_05_BOMBAS_ COMPRESORES .PDF WEB: MAVAINSA – DOC. BOMBAS