Informe Bomba Centrifuga

UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE MECÁNICA

LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA III

BOMBA CENTRIFUGA

REALIZADO POR:

REVISADO POR:

Br. Arnaldo Martínez, C.I.: 19.939.196

Prof.: Yordy González

Br. Henry Ríos, C.I.: 20.390.450 Br. Jesús Colón, C.I.: 21.174.358 Sección 02

Puerto La Cruz, Marzo de 2014

INTRODUCCIÓN Este material tiene por objetivo, proporcionar al estudiante de ingeniería mecánica determinados tópicos referentes a las bombas reciprocantes. Las bombas pertenecientes a esta clasificación tienen una gran importancia en el mercado por su simplicidad y relativo bajo costo; son de uso común en los sistemas de hidroneumático a nivel residencial, para los tanques de reserva en los hogares, sistemas de limpieza de tanquillas eléctricas, transporte del fluido refrigerante en motores de vehículos, etc., sin nombrar las aplicaciones industriales. Las bombas reciprocantes tienen su ventaja en que proporcionan altas presiones al mismo tiempo que proveen un flujo continuo del fluido; son fáciles de instalar, el rodete, que es el elemento que proporciona la energía al fluido, en muchos casos es de muy fácil construcción (comparado al de una turbina). En aplicaciones tales como piscinas, se sustituyen los elementos metálicos internos por polímeros, a fin de evitar la corrosión por el exceso de cloro utilizado en el mantenimiento y limpieza del agua. De acuerdo al contenido mostrado a continuación, se tiene una síntesis de términos inherentes a las bombas tal que, el lector adquiera algunas nociones básicas de estos equipos para su selección, diseño y mantenimiento.

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CONTENIDO 1. DEFINICIÓN ......................................................................................4 2. CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS ................................................4 3. CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS ROTODINÁMICAS .................5 4. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS .......................................................5 5. ACCIÓN DE UNA BOMBA CENTRIFUGA .......................................6 6. PERDIDAS EN BOMBAS CENTRIFUGAS .......................................9 7. BOMBAS EN SERIE Y PARALELO ...............................................13 8. CAVITACIÓN ...................................................................................20 9. CURVA CARACTERÍSTICA DEL SISTEMA...................................28 10. GRAFICA DE LA CURVA CARACTERÍSTICA ...............................28 11. CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LAS BOMBAS ........................30 12. TIPOS DE CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LAS BOMBAS ......31 13. TIPOS DE CURVAS DE POTENCIA CONSUMIDA ........................34 14. CURVAS DE RENDIMIENTO ..........................................................35 15. CURVAS DE ISO-RENDIMIENTO ...................................................36 16. EJEMPLOS DE CÁLCULO .............................................................38 17. PUNTO DE OPERACIÓN ................................................................44 18. FACTORES QUE MODIFICAN EL PUNTO DE OPERACIÓN ........44 BIBLIOGRAFÍA ...............................................................................46

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FUNDAMENTOS TEÓRICOS 1. DEFINICIÓN La bomba es una máquina que absorbe energía mecánica y restituye al líquido que la atraviesa energía hidráulica. Las bombas se emplean para impulsar toda clase de líquidos (agua, aceites de lubricación, combustibles, ácidos; líquidos alimenticios: cerveza, leche, etc.; estas últimas constituyen el grupo importante de las bombas sanitarias). También se emplean las bombas para transportar líquidos espesos con sólidos en suspensión, como pastas de papel, melazas, fangos, desperdicios, etc. [Mataix]. 2. CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS Las bombas se clasifican en: a) Bombas rotodinámicas: todas y solo las bombas que son turbomáquinas pertenecen a este grupo; algunas de sus características generales son las siguientes:  Estas son siempre rotativas. Su funcionamiento se basa en la ecuación de Euler; y su órgano transmisor de energía se llama rodete.  Se llaman rotodinámicas porque su movimiento es rotativo y la dinámica de la corriente juega un papel esencial en la transmisión de la energía. b) Bombas de desplazamiento positivo: a este grupo pertenecen no solo las bombas alternativas, sino las rotativas llamadas rotoestáticas porque son rotativas, pero en ellas la dinámica de la corriente no juega un papel esencial en la transmisión de la energía. Su funcionamiento se basa en el principio de desplazamiento positivo. [Mataix]. De acuerdo al objetivo de este trabajo, a continuación se muestra únicamente los detalles, características, expresiones y demás elementos utilizados relacionados a las bombas rotodinámicas o reciprocantes. 4

3. CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS ROTODINÁMICAS a) Según la dirección de flujo: bombas de flujo axial y de flujo radioaxial. b) Según la posición del eje: bombas de eje horizontal, de eje vertical y de eje inclinado. c) Según la presión engendrada: bombas de baja presión, de media presión y de alta presión. d) Según el número de flujos en la bomba: de simple aspiración o de un flujo y de doble aspiración, o de dos flujos. e) Según el número de rodetes: de un escalonamiento o de varios escalonamientos [Mataix]. 4. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS En la figura 4.1, se representa una bomba radial de eje horizontal en la cual pueden verse los elementos siguientes: 4.1.

4.2.

4.3.

4.4.

Rodete (1): que gira solidario con el eje de la máquina y consta de un cierto número de álabes que imparten energía al fluido en forma de energía cinética y energía de presión. Corona directriz o corona de álabes fijos (2): recoge el líquido del rodete y transforma la energía cinética comunicada por el rodete en energía de presión, ya que la sección de paso aumenta en esta corona en la dirección del flujo. Esta corona directriz no existe en todas las bombas; porque encarece su construcción; aunque hace a la bomba más eficiente. Caja espiral (3): transforma también la energía dinámica en energía de presión y recoge además con pérdidas mínimas de energía el fluido que sale del rodete, conduciéndolo hasta la tubería de salida o tubería de impulsión. Tubo difusor troncocónico (4): realiza una tercera etapa de difusión o, de transformación de energía dinámica en energía de presión.

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Figura 4.1. Elementos constitutivos de una bomba centrifuga. Vista de izquierda (lateral) (a) y vista frontal (b) [Mataix].

5. ACCIÓN DE UNA BOMBA CENTRIFUGA 5.1. Potencia Hidráulica Esta es la potencia que el impulsor de la bomba transfiere el agua cuando gira a una velocidad determinada y viene dada por la fórmula:

Potencia hidráulica Donde: 

Q = es el caudal en m3/h.

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

H = es la altura de presión en metros columna de agua (mca) 274 = es un factor de conversión, trabajando con agua a 23 °C. La potencia se da en HP (Caballos de fuerza)

5.2. Potencia en el Eje o Potencia al Freno: Esta es la potencia que se le debe transferir al eje (por medio del motor) para que la bomba imprima la potencia hidráulica al agua; también es interpretada como la potencia total requerida por una bomba para realizar una cantidad específica de trabajo y viene dada por la fórmula: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 (𝐻𝑃) =

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐻𝑖𝑑𝑟𝑎𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎 𝑁

En donde N es la eficiencia fraccionaria total de la bomba. Existe una fórmula para calcular la potencia en HP cuando el caudal se da en gpm (galones por minuto) y la presión en psi (libras por pulg2); esta es: 𝐻𝑃 =

𝑄 (𝑔𝑝𝑚)𝑥 𝐻 (𝑝𝑠𝑖) 1,7143 𝑥 𝑁

Ejemplo Calcular la potencia que requiere una bomba en su eje para satisfacer: 1. un caudal de 1827 m3/h 2. una presión equivalente a 30 m columna de agua (mca)

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La bomba según el fabricante, tiene en ese punto de operación una eficiencia de 75%.

1. Potencia hidráulica HP =

2. Potencia en el eje HP = A esta bomba se le acoplará un motor eléctrico directamente a su eje. El fabricante del motor garantiza que este tiene una eficiencia del 89%. La potencia que debe entregar este motor deberá ser:

Potencia en motor Esto significa que el motor nominalmente será de 300 HP, pero realmente dará, 300 x 0.89 = 267 HP; estos 267 HP los toma la bomba y transfiere al impulsor 267 x 0.75 = 200 HP; el impulsor con esta potencia neta puede entregar 1827 m3/hr a 30 mca. En otras palabras, la eficiencia total del proceso será N = 0.75 x 0.89 =0.67 (67%) Existe una fórmula para calcular la potencia en HP cuando el caudal se da en gpm (galones por minuto) y la presión en psi (libras por pulg2); esta es: 𝐻𝑃 =

𝑄 (𝑔𝑝𝑚)𝑥 𝐻 (𝑝𝑠𝑖) 1,7143 𝑥 𝑁

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6. PERDIDAS EN BOMBAS CENTRIFUGAS Para la potencia de entrada las bombas centrífugas se caracterizan por presentar una presión relativamente alta con un caudal relativamente bajo, las bombas de flujo axial generan un caudal alto con una baja presión y las de flujo mixto tienen características que se ubican en un rango intermedio con respecto a los casos anteriores. Para todos es claro que las maquinas que transforman la energía no son 100% eficientes, de aquí nace él termino EFICIENCIA, ya que para una maquina la potencia de entrada no es la misma que la potencia de salida. Teniendo en cuenta lo anterior, sabemos que si la energía que entra no es igual a la que sale es porque en alguna parte hubo una perdida energética. Estas pueden ser:

6.1.



Perdidas de potencia hidráulicas (Ph)



Perdidas de potencia volumétricas (Pv)



Perdidas de potencia mecánicas (Pm)

Pérdidas de potencia hidráulicas Estas disminuyen la energía útil que la bomba comunica al fluido

y consiguientemente, la altura útil. Se producen por el rozamiento del fluido con las paredes de la bomba o de las partículas del fluido entre sí. Además se generan pérdidas hidráulicas por cambios de dirección y por toda forma difícil al flujo. Esta se expresa de la siguiente forma: Ph = g * Q * Hint

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Donde Hint son las pérdidas de altura total hidráulica.

6.2.

Pérdidas de potencia volumétricas

Se denominan también pérdidas intersticiales y son perdidas de caudal que se dividen en dos clases: 

Pérdidas exteriores (qe)



Pérdidas interiores (qi) Las primeras constituyen una salpicadura de fluido al exterior,

que se escapa por el juego entre la carcasa y el eje de la bomba que la atraviesa. Las

interiores

son

las

más

importantes

y

reducen

considerablemente el rendimiento volumétrico de algunas bombas. Estas pérdidas se explican de la siguiente forma: a la salida del rodete de una bomba hay más presión que a la entrada, luego parte del fluido, en vez de seguir a la caja espiral, retrocederá por el conducto que forma el juego del rodete con la carcasa, a la entrada de este, para volver a ser impulsado por la bomba. Este caudal, también llamado caudal de cortocircuito o de reticulación, absorbe energía del rodete.

6.3.

Pérdidas de potencia mecánicas Estas se originan principalmente por las siguientes causas: 

Rozamiento del prensaestopas con el eje de la maquina

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

Accionamiento de auxiliares (bomba de engranajes para lubricación, cuenta revoluciones)



Rozamiento de la pared exterior del rodete con la masa fluida que lo rodea. Después de conocer la forma de “perdidas energéticas” que se

producen en las bombas podemos entrar a conocer los tipos de eficiencia para cada tipo de pérdidas.

6.4.

Eficiencia hidráulica Esta tiene en cuenta las pérdidas de altura total, Hint y Hu,

donde Hint son las pérdidas de altura total hidráulicas y Hu = Htotal – Hint, luego la eficiencia hidráulica está dada por la siguiente ecuación: h = Hu/Htotal 6.5.

Eficiencia volumétrica Esta tiene en cuenta las pérdidas volumétricas y se expresa

como:

v = Q/(Q+qe+qi) Donde Q es el caudal útil impulsado por la bomba y (Q+qe+qi) es el caudal teórico o caudal bombeado por el rodete.

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6.6.

Eficiencia interna Tiene en cuenta todas las perdidas internas, o sea, las

hidráulicas y las volumétricas, y engloba las eficiencias hidráulicas y volumétricas:

i = Pu/Pi Donde Pu es la potencia útil, la cual será en impulsar el caudal útil a la altura útil. Pu = g * Q * Hu Pi es la potencia interna, o sea, la potencia suministrada al fluido menos las perdidas mecánicas (Pm) Pi = Pa – Pm

Después de realizar algunos cálculos algebraicos tenemos que la ecuación para la eficiencia interna es la siguiente:

i = h * v 6.7.

Eficiencia total Esta tiene en cuenta todas las perdidas en la bomba, y su valor

es:

t = Pu/Pa

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Donde Pu es la potencia útil y Pa es la potencia de accionamiento.

t = b * v * m De esta forma hemos llegado al final de nuestro recorrido para identificar la eficiencia respectiva para cada uno de los casos. 7. BOMBAS EN SERIE Y PARALELO 7.1.

Asociación de bombas en serie En algunas aplicaciones, como por ejemplo, debido a condiciones topográficas o por cualquier otro motivo, un sistema podría exigir grandes alturas manométricas, las que en algunos casos, pueden exceder los límites de operación de las bombas de una etapa. En estos casos, una de las soluciones es la asociación de bombas en serie. Esquemáticamente, la asociación de bombas en serie se presenta de la siguiente forma:

Figura 7.1.1. Bombas en serie.

Es fácil notar, que el líquido que pasará por la primera bomba, recibirá una cierta energía de presión, entrará en la segunda bomba, donde habrá un nuevo crecimiento de energía a fin que el mismo cumpla con las condiciones solicitadas.

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También queda claro que el caudal que sale de la primera bomba es el mismo que entra en la segunda, siendo por tanto el caudal, en una asociación de bombas en serie, constante. Podemos concluir de esa forma, que cuando asociamos dos o más bombas en serie, para un mismo caudal, la presión total (altura manométrica) será la suma de las presiones (altura) suministradas por cada bomba. Para obtener la curva característica resultante de dos bombas en serie, iguales o diferentes, basta con sumar las alturas manométricas totales, correspondientes a los mismos valores de caudal, en cada bomba. Por ejemplo, a continuación se muestra la curva característica del sistema mostrado en la figura 7.1.1 (ver figura 7.1.2):

Figura 7.1.2. Grafica de Altura de bombeo con respecto el caudal para dos bombas en serie en características similares.

Para un sistema de dos bombas distintas en serie, se tiene lo siguiente (ver figura 7.1.3):

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Figura 7.1.3. Bombas de características diferentes dispuestas en serie.

A continuación se tiene la curva característica para el sistema mostrado en la figura anterior:

Figura 7.1.4. Grafica de Altura de bombeo con respecto el caudal para dos bombas en serie en características diferentes.

Entre los arreglos posibles para la instalación de bombas en serie, podemos tener: 

motor con dos puntas de eje, montado entre las bombas. Para la mayoría de las bombas, esto no es posible de realizar,

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debido a que la inversión del sentido de rotación para una de las bombas, no es admisible.

7.2.



motor normal accionando dos bombas, con una bomba intermedia con dos puntas de eje (la bomba intermedia debe tener eje pasante y ser capaz de transmitir el torque a las dos bombas).



dos motores accionando cada uno a su propia bomba.

Asociación de bombas en paralelo Dos o más bombas están operando en paralelo cuando descargan a una tubería común, de modo que cada una contribuye con una parte del caudal total. Es interesante recordar que la bomba centrífuga vence las resistencias que encuentra, es decir, el desnivel geométrico estático más las pérdidas de carga. De esa manera, cuando están operando en paralelo, todas las bombas tendrán la misma altura manométrica total o, en otros términos: para la misma altura manométrica los caudales correspondientes se suman. Para graficar la curva resultante de una asociación de bombas en paralelo, basta con graficar para cada altura los caudales correspondientes, tantas veces como fueran las bombas en paralelo. a) Asociación de dos bombas iguales en paralelo

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Figura 7.2.1. Sistema con bombas en paralelo de igual características.

Para explicarlo mejor, tenemos como ejemplo la figura 7.2.1 y 7.2.2, dónde se tiene que, dos bombas iguales operan en paralelo, descargando en una línea común que lleva el líquido desde el depósito de succión al depósito de descarga.

Figura 7.2.2. Curva característica del sistema, con 2 bombas iguales en paralelo.

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Cuando las dos bombas están operando, el caudal en el sistema Q2 y cada bomba entrega un caudal Q1, de tal manera que Q2 = 2Q1. Hacemos notar que las dos bombas operarán con una altura manométrica total H1. Cuando sólo una bomba opera, la altura manométrica total disminuye, pasando para H1’ (H1’ < H1) y para un caudal Q1’, de tal una manera que Q1