Clase de Bombas

BOMBAS Laboratorio de Operaciones de Transferencia de Fluidos y Calor. IQ-0432 Ing. Adriana Araya Díaz

Las bombas son dispositivos mecánicos que: • Añaden energía a un fluido

CÓMO? • Un motor eléctrico impulsa un eje rotatorio en la bomba. • Se aprovecha la energía cinética y se transmite al fluido. • Provocando el movimiento del fluido y su aumento de presión.

Impulsan líquidos a través de un sistema de tuberías

BOMBAS

Ecuación general de la energía

• Energía que se agrega al fluido por un dispositivo mecánico (como una bomba)

CARGA TOTAL / Carga dinámica total (TDH):

BOMBAS

CLASIFICACIÓN !

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DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Rotatorias Engranes Aspa Tornillo Cavidad progresiva Lóbulo o leva Tubo flexible (peristáltico) !

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CINÉTICAS

Flujo radial (centrífugas) Flujo axial (de impulsor) Flujo mixto

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Recíprocas Pistón Émbulo !

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Diafragma

BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO !

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Entregan una cantidad fija de fluidos por cada revolución del rotor de la bomba. La energía es proporcionada al fluido de forma discontinua mediante la aplicacición directa de una fuerza del fluido al bombear.

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Presiones muy altas con caudales moderados.

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Líquidos con un amplio rango de viscosidades.

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Manejo de fluidos como agua, aceites hidráulicos en sistemas de transmisión de potencia por medio de fluidos, productos químicos, pintura, gasolina, grasas, adhesivos y algunos productos alimenticios. Pueden utilizarse para la dosificación. Desventajas: salida pulsante, susceptibilidad al daño por sólidos y abrasivos y la necesidad de incluir una válvula de alivio.

CLASIFICACIÓN / Desplazamiento positivo

BOMBAS DE ENGRANES "

Compuesta por dos engranes que se ajustan firmemente en rotación contraria dentro de una armadura.

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Flujo que entregan varía con el tamaño de los engranes y la velocidad de rotación

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Distribución de lubricantes.

CLASIFICACIÓN / Desplazamiento positivo

BOMBAS DE PISTÓN "

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Los pistones llevan de forma alternada fluido al interior de sus cilindros, a través de válvulas de succión. Luego salen por válvulas de descarga contra la presión del sistema.

BOMBAS DE PALETAS "

El fluido entra por el puerto de succión y es llevado entre dos aspas o paletas hasta la descarga

CLASIFICACIÓN / Desplazamiento positivo

BOMBAS DE CAVIDAD PROGRESIVA

BOMBAS DE TORNILLO "

Posee ventaja sobre las bombas de engranajes, pistón y paletas.

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Compuesta por un rotor metálico móvil y una fase estacionaria (estator). Opera a bajas velocidades y permite manejar volúmenes de gas, sólidos en suspensión y cortes de agua. Utilizan un rotor de forma helicoidal con n número de lóbuos.

https://www.youtube.com/watch?v=WeEi0ZWRySQ https://www.youtube.com/watch?v=R0Ry_UkCsNU

CLASIFICACIÓN / Desplazamiento positivo

BOMBAS DE LÓBULO " " "

Similar a la bomba de engranes. Dos rotores que giran en sentido contrario. El fluido se mueve alrededor de la cavidad.

Funcionamiento bomba lóbulo

CLASIFICACIÓN / Desplazamiento positivo

BOMBAS DE DIAFRAGMA " "

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Mueve un diafragma flexible dentro de una cavidad. Las grandes se usan en industria de alimentos, procesos químicos, tratamiento de aguas residuales. Válvulas de succión y descarga se abren y se cierran de forma alternada.

CLASIFICACIÓN / Desplazamiento positivo

BOMBAS PERISTÁLTICAS "

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El fluido se captura por completo dentor de un tubo flexible a través del ciclo de bombeo. Tubo se dirige entre un conjunto de rodillos giratorios y una carcasa fija. Aplicaciones: químicas, médicas, procesamiento de alimentos, tratamiento de aguas residuales.

https://www.youtube.com/watch?v=3Dnt6r_YtDY

CLASIFICACIÓN / Desplazamiento positivo

BOMBAS CINÉTICAS #

Añaden energía cinética la fluido acelerándolo mediante la acción de un impulsor giratorio.

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La energía es agregada al fluido de forma continua a través del aumento de su velocidad.

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Una parte de esta energía se convierte en energía de a la salida de la bomba. #

Más común: Bomba centrífuga

CLASIFICACIÓN / Cinéticas

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Tipo más común: BOMBA CENTRÍFUGA DE FLUJO RADIAL

Conexión entre eje de la bomba y eje del motor

Motor Bomba

CLASIFICACIÓN / Cinéticas / Bombas centrífugas

CARACTERÍSTICAS • Fluido se alimenta hacia el centro del impulsor. • Se imparte energía al fluido por acción de la fuerza centrífuga. • El fluido al dejar el impulsor pasa a una voluta en forma de espiral en donde es frenado en forma gradual, con lo que parte de la energía cinética se convierte en presión. • Flujo que entrega no presenta fluctuaciones de presión. • Volúmenes grandes.

CLASIFICACIÓN / Cinéticas / Bombas centrífugas

COMPONENTES PRINCIPALES

CLASIFICACIÓN / Cinéticas / Bombas centrífugas

BOMBAS DE CHORRO "

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Uso con frecuencia en sistemas hidráulicos domésticos. Compuestas por una bomba centrífuga junto con un conjunto de inyección o expulsión.

Bomba de chorro para pozo superficial

Bomba de chorro para pozo profundo

CLASIFICACIÓN / Cinéticas / Bombas centrífugas

BOMBAS SUMERGIBLES "

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Diseñadas de forma que todo el conjunto de: bomba centrífuga, motor de accionamiento y aparato de succión y descarga, puedan sumergirse en el fluido a bombear. Útiles para eliminar agua no deseada en obras de construcción, minas, pozos de registro de servicios público, tanques industriales, instalaciones para tratamiento de aguas residuales. Succión en el fondo.

CLASIFICACIÓN / Cinéticas / Bombas centrífugas

DATOS DE DESEMPEÑO PARA BOMBAS CENTRÍFUGAS $

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Existe una dependencia entre la capacidad y la presión que debe desarrollar la bomba. Curva típica de calificación: se grafica ha contra Q (carga total de la bomba contra capacidad o caudal) a r a p o a ñ g e u f p ítr mn e e s c e a d b e d m a o b v r a u n C u

Hay una disminución de la capacidad, a medida que aumenta la carga.

EFICIENCIA y POTENCIA requeridas también son importantes para el buen funcionamiento de una bomba. Operación normal En la máxima eficiencia

Curvas de rendimiento de una bomba centrífuga

BOMBAS CENTRÍFUGAS / Desempeño

OPERACIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGAS Diferentes velocidades

Se obtienen diferentes capacidades

Según tamaño de la armadura

Impulsores de diferentes diámetros

¿Cómo varian la capacidad, la carga y la potencia cuando se modifica la rapidez rotacional o del diámetro del impulsor? “Leyes de afinidad ” Cuando la velocidad varía

Cuando el diámetro varía

N = Velocidad de rotación del impulsor, rpm

BOMBAS CENTRÍFUGAS / Desempeño

Eficiencia permanece casi constante

DATOS DEL FABRICANTE PARA BOMBAS CENTRÍFUGAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE DESEMPEÑO • Los fabricantes de bombas ofrecen opciones para una variedad de exigencias de capacidad y carga con unos cuantos tamaños básicos de bombas. • Elaboran completo diagramas de desempeño, diagramas de desempeño Utilizan designaciones para las bombas: Formato de nomenclatura de la bomba2 X 3 – 10 Esta bomba tiene una conexión de descarga de 2 in, una conexión de succión de 3 in y una armadura que puede alojarimpulsores con diámetro de hasta 10 in.

Gráfica compuesta de rendimiento para una línea de bombas centrífugas

BOMBAS CENTRÍFUGAS / Datos del fabricante

EFECTO DEL TAMAÑO DEL IMPULSOR

2 x 3 – 10 3500 rpm

Ilustración del desempeño de una bomba para diferentes diámetros de impulsor

BOMBAS CENTRÍFUGAS / Datos del fabricante

EFECTO DE LA VELOCIDAD (motor)

2 x 3 – 10 1750 rpm

Rendimiento de una bomba centrífuga de 2 X 3 – 10 , cuando opera a 1750 rpm

BOMBAS CENTRÍFUGAS / Datos del fabricante

POTENCIA REQUERIDA 2 x 3 – 10 3500 rpm

Ilustración de rendimiento de una bomba para diámetros diferentes de impulsor, con la potencia requerida

BOMBAS CENTRÍFUGAS / Datos del fabricante

EFICIENCIA

Ilustración de rendimiento de una bomba para diámetros diferentes de impulsor, con la eficiecia

BOMBAS CENTRÍFUGAS / Datos del fabricante

CARGA DE SUCCIÓN POSITIVA NETA REQUERIDA (NPSHR)

- Se relaciona con la presión existente a la entrada de la bomba. - Evitar la cavitación. - Deseable una NPSHR baja.

BOMBAS CENTRÍFUGAS / Datos del fabricante

COMPLETO 2 x 3 – 10 3500 rpm

BOMBAS CENTRÍFUGAS / Datos del fabricante

EJEMPLO 2 x 3 – 10 3500 rpm

57% 37 hp 9,2 pies de agua

275

BOMBAS CENTRÍFUGAS / Datos del fabricante

CARGA DE SUCCIÓN POSITIVA NETA (NPSH) IMPORTANTE al seleccionar una bomba y diseñar de sistema de tuberías que conduce a la bomba (línea de succión) se debe: Garantizar que la condición del fluido que entra a la bomba permita el flujo completo de líquido a través de la bomba y en la línea de descarga. Factor principal:

PRESIÓN DEL FLUIDO EN LA ENTRADA DE SUCCIÓN DE LA BOMBA Presión lo suficientemente alta como para evitar el desarrollo de la cavitación, en la cual se forman burbujas de vapor dentro del fluido que fluye. Dependen de la naturaleza del fluido, su temperatura y la presión de succión.

CAVITACIÓN

BURBUJAS

Si la presión de succión a la entrada de la bomba demasiado baja Allí se produce la presión más baja

Fluido entra en la bomba por el puerto de succión (centro del impulsor)

Fluido se acelera hacia el exterior (por la rotación del impulsor que lo acelera) en dirección de la armadura (voluta)

La presión va aumentando #

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Si se formaron burbujas al inicio, estas colapsarán al someterse a presiones mayores Se liberan grandes cantidades de energía, lo que provoca fuerzas de impacto efectivas sobre las paletas o álabes del impulsor, esto causa erosión rápida en su superficie

CAVITACIÓN

CONSECUENCIAS

• Desempeño de la bomba se degrada. • La bomba vibra y hace ruido. • Si se permite que continúe así, la bomba se destruye en poco tiempo. - La bomba debe apagarse para identificar la causa de la cavitación.

CAVITACIÓN

PRESIÓN DE VAPOR

pvp

• Determina las condiciones en que se forman burbujas de vapor. • Presión absoluta, kPa ó psia. • La presión de vapor a cierta tempratura, debe dividirse entre el peso específico del líquido a dicha tempratura = carga de presión de vapor del líquido. • Tablas

PRESIÓN DE VAPOR

NPSH ASPECTOS BÁSICOS DEL NPSH 1.Evitar la cavitación. 2.Efecto de la presión de vapor del fluido que se bombea sobre el establecimiento de la cavitación. 3.Consideraciones de diseño de los sistemas de tuberías que afectan a la NPSH. 4.Se debe satisfacer el NPSH de la bomba seleccionada. R

Los fabricantes de bombas prueban cada diseño de bombas para determinar el nivel de presión de succión necesario para evitar la cavitación, reportando el resultado como la CARGA DE SUCCIÓN POSITIVA NETA REQUERIDA, NPSHR, para la bomba en cada condición operativa de capacidad (caudal) y carga total sobre la bomba.

NPSH

Nivel de presión de succión necesario para evitar cavitación

NPSHR

Al diseñar un sistema un sistema de bombeo se debe asegurar que: La carga de succión positiva neta disponible NPSHA

debe ser

significativamente superior a la carga de succión positiva neta requerida NPSHR American National Standars Institue (ANSI) y el Hydraulic Institute (HI) han establecido normas en conjunto donde exigen que exista una diferencia mínima del 10% de la NPSHA sobre la NPSHR

NPSH

NPSHA > 1.10 NPSHR

Cálculo de la NPSHA NPSHA = hsp +- hs – hf – hvp hsp = Carga de la presión estática por encima del líquido contenido en el depósito, m ó ft de líquido hsp = psp / ! psp = presión estática absoluta por encima del líquido contenido en el depósito hs = Diferencia de elevación entre el nivel del fluido contenido en el depósito y la línea central de la entrada de succión en la bomba, m ó ft hf = Pérdida de carga en la tubería de succión debida a las pérdidas por fricción y pérdidas menores, m ó ft hvp = Carga de presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo, m ó ft de líquido hvp = pvp / ! pvp= presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo.

NPSH

NPSHA depende de: • Presión de vapor del fluido • Pérdidas de energía en el tubo de succión. • Ubicación de almacenamiento del fluido. • Presión que se le aplica en el almacenamiento.

Detalles de la línea de succión y términos para el cálculo del NPSHA

NPSH

EFECTO DE LA MAGNITUD DE LA VELOCIDAD ANGULAR DE LA BOMBA EN LA NPSH

Agua DATOS DE CATÁLOGOS Velocidades indicadas

Si la bomba opera a una velocidad diferente, la NPSH que se requiere a la velocidad nueva se calcula de la siguiente forma:

1 Datos de catálogo 2 Condiciones con la velocidad nueva de operación https://www.youtube.com/watch?v=SpKuTfw560U

NPSH

DETALLES DE LA LÍNEA DE SUCCIÓN LÍNEA DE SUCCIÓN: Todas las partes desde la fuente del fluido hasta la entrada de la bomba. • Si la bomba está debajo del depósito, hs es positiva, se ayuda a que se garantice una NPSH satisfactoria y la bomba siempre A

iniciará con una columna de líquido al arrancar. • Si la bomba está arriba del depósito, hs es negativa. Succión elevada

La bomba debe iniciarse de forma artificial, llenando la línea con fluido.

DETALLES DE LA LÍNEA DE SUCCIÓN • En ocasiones se necesitan FILTROS • Si se emplea una válvula cerca de la bomba, es mejor que sea de

compuerta. • Tubo de la línea de succión que llega a la conexión con la bomba, debe ser un poco más grande (que la conexión) para reducir la velocidad de flujo y las pérdidas por fricción. • Tuberías largas deben tener pendiente hacia arriba, dirección a la bomba. • Evitar codos en plano horizontal.

DETALLES DE LA LÍNEA DE DESCARGA • Tan corta y directa como sea posible, para minimizar la carga sobre la bomba. • Codos de tipo estándar o radio largo. • Tamaño de la tubería de acuerdo con velocidad o pérdidas por fricción permisibles. • En general se recomiendan tamaños grandes y velocidades bajas. • Debe contener una válvula cerca de la bomba. Actúa con la de la línea de succión para aislar la bomba. • Válvula de mariposa // Si debe regularse el flujo: Válvula de globo

DETALLES DE LA LÍNEA DE DESCARGA • Es posible agregar lo necesario a la línea de descarga. • Válvula de alivio de presión protegerá la bomba y el resto del equipo. • Válvula de verificación impide que el flujo regrese a la bomba cuando no esté en funcionamiento. • Grifo de muestreo.

Detalles de línea de descarga

SELECCIÓN DE UNA BOMBA Factores a considerar al seleccionar una bomba según su aplicación: 1. Naturaleza del líquido a bombear. 2. Capacidad requerida (flujo volumétrico). 3. Condiciones del lado de succión (entrada) de la bomba. 4. Condiciones del lado de descarga (salida) de la bomba. 5. Carga total sobre la bomba (término ha de la ecuación de la energía) 6. Tipo de sistema donde la bomba impulsa el fluido. 7. Tipo de fuente de potencia (motor eléctrico, motor diesel, turbina de vapor, etc). 8. Limitaciones de espacio, peso y posición. 9. Condiciones ambientales. 10. Costo de adquisición e instalación de la bomba. 11. Costo de operación de la bomba. 12. Códigos y estándares gubernamentales.

Se debe especificar: 1. Tipo de bomba y su fabricante. 2. Tamaño de la bomba. 3. Tamaño de la conexión de succión y su tipo (bridada, atornillada y otras). 4. Tamaño y tipo de la conexión de descarga. 5. Velocidad de operación. 6. Especificaciones para el impulsor. 7. Tipo de acoplamiento, fabricante y número de modelo. 8. Detalles de montaje. 9. Materiales y accesorios especiales que requiere. 10. Diseño y materiales del sello del eje.

SELECCIÓN DE UNA BOMBA

BOMBAS EN PARALELO • Usada cuando se requieren flujos volumétricos que varían mucho. • Cada una de las bombas extrae el fluido de la misma fuente de entrada y lo envían a un colector común para hacerlo llegar a todo el sistema. • Rendimiento en paralelo: hay que comprender la relación entre las curvas de las bombas y la curva del sistema de aplicación. • Al agregar una segunda bomba se duplica la capacidad del sistema. • Pero, conforme ocurre un flujo volumétrico más grande en el sistema de tubería, se crea una carga mayor, lo que hace que cada bomba envía menos flujo. • Se garantiza una reserva de bombeo mínima ante el fallo de alguna bomba. • Usualmente se usan bombas iguales.

Rendimiento de bombas que operan en paralelo

BOMBAS EN PARALELO

BOMBAS EN SERIE • Se desea aumentar la presión del sistema. • Se dirige la salida de una bomba hacia la entrada de otra. • Se obtiene la misma capacidad con una carga total

igual a la suma de los valores de las dos. • Cada bomba conduce el mismo flujo volumétrico. • Este montaje no es tan frecuentes como en paralelo. • Preferiblemente que sean iguales, o que los caudales sean semejantes.

Rendimiento de bombas que operan en serie

BOMBAS EN SERIE

O I R O T A R O B A L

OBJETIVOS 1. Diferenciar entre sistemas de bombas en paralelo y en serie. 2. Verificar las curvas características de una bomba centrífuga e interpretarlas. 3. Estudiar algunos parámetros importantes en la selección de

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bombas.

O I R O T A R O B A L E D A C I T C Á R P

O I R O T A R O B A L E D A C I T C Á R P

Diagrama del módulo de bombas en serie y en paralelo (Elaborado por Adrea Borbón, Didier Jiménez, José Andrés Santamaría y Dabiel Ulloa, 2016)

O I R O T A R O B A L

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Llene el tanque inferior (T-2) con suficiente agua. 2. Encienda la bomba inferior (B-2) para llenar el tanque superior (T-1), y verifique el volumen de agua (no debe estar por debajo de la marca indicada). Con el nivel adecuado de agua en el tanque T-1, abra todas las

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válvulas completamente y deje correr el agua por 45

A C I T C Á R P

segundos. 3. Antes de encender las bombas, abra la válvula V-4. IMPORTANTE PARA EVITAR POSIBLES DAÑOS.

O I R O T A R O B A L

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. Durante el ensayo de presiones empiece con la válvula V-1 totalmente abierta, luego vaya cerrándola paulatinamente. Continuamente verifique el nivel del agua en el tanque T-1. Tome las medidas necesarias en la línea de succión:

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Nivel del líquido,

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Número y clase de accesorios Diámetro de tubería Datos requeridos para calcular NPSH y pérdidas por fricción

O I R O T A R O B A L

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Operar el módulo en PARALELO 1. Abra las válvulas V-1, V-2 y V-4, mantenga cerrada la válvula V-3. 2. Encienda las bombas.

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3. Fije una posición de la válvula V-1, y tome datos de presión de succión, de descarga, amperaje, voltaje y flujo volumétrico.

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4. Para 10 flujos diferentes (que cubran el ámbito de operación del manómetro), repita el punto anterior. Una vez alcanzadas las presiones máximas (3/4 de la capacidad máxima del manómetro), abra de nuevo la válvula V-1 y apague las bombas.

O I R O T A R O B A L

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Operar el módulo en SERIE 1. Abra las válvulas V-1 y V-3. 2. Cierre las válvulas V-2 y V-4. 3. Encienda la bomba B-1 y luego la bomba B-2 (PROCEDIMIENTO rápido)

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4. Fije una posición de la válvula V-1, y tome datos de presión de succión, de descarga, amperaje, voltaje y flujo volumétrico.

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5. Para 10 flujos diferentes (que cubran el ámbito de operación del manómetro), repita el punto anterior. 6. Realizadas las observaciones abra nuevamente la válvula V-1 y apague las bombas. Primero la B-2 y luego la B-1.

O I R O T A R O B A L

CÁLCULOS , jo u fl a d a c ra a P

o r e c l e o d n e y lu c n i

1. Cabeza total 2. Potencia consumida 3. Potencia entregada 4. Eficiencia de las bombas en serie y en paralelo

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5. Construir curvas características para las bombas en serie y en paralelo

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6. Calcular NPSH requerida y disponible para cada bomba del sistema.

Bibliografía Mott, R., Mecánica de Fluidos Aplicada, Pearson Educación, sexta edición, México (2006) Guía de laboratorio “Bombas Centrífugas”, Ingeniería Química, Universidad de Costa Rica. I-2017