Tema 4. Turbobombas Ingeniería Fluidomecánica

Tema 4 Turbobombas

Turbobombas Hidráulicas

Turbobombas Hidráulicas

Introducción •

Definición Mataix:  –

Bomba es una máquina que absorbe energía mecánica y restituye al líquido que la atraviesa atraviesa energía hidráulica.

•

Para pequeñas presiones y grandes caudales.

•

Ventajas con respecto a las bombas de desplazamiento positivo:  –  –  –

 –  –  –

•

Potencia específica mayor No tiene fuerzas de inercia descompensadas-> menos vibraciones Permite el acoplamiento a motores de altas revoluciones (más baratos, sin transmisión reductora) Carencia de sobrepresiones en bomba y tubería por cierre de válvula de impulsión Carencia de válvulas-> menos averías Más baratas

Desventajas:  –

No son autocebantes. Ejemplo para una bomba que da una altura máxima de 100m •

Si la bomba está llena de aire:

 p    gH   1.29 •

Si la bomba está llena de agua:

kg 

m ·9.81 2 ·100m  1265.5 Pa  0.129 mca m  s

 p    gH   1000

3

kg 

m ·9.81 2 ·100m  981000 Pa  100 mca m  s 3

Clasificación •

Según la dirección del flujo:  –  –  –

•

Según la posición del eje:  –  –

•

 –  –

baja media alta

Según el número de flujos en la bomba:  –  –

•

de eje vertical de eje horizontal

Según la presión proporcionada:  –

•

radial axial radioaxial

de simple aspiración de doble aspiración

Según el número de rodetes :  –  –

de un escalonamiento de varios escalonamientos

Elementos Constructivos •

Tubería de aspiración

•

Impulsor (rodete)

•

Corona directriz

•

Voluta

•

Tubería de impulsión

Tipos Constructivos

Carcasa seccionada

Carcasa monobloc

Carcasa doble aspiración

Axial

Tipos Constructivos

Horizontal de múltiples escalonamientos

http://www.youtube.com/watch?v=r4GJ34J0z2g

Tipos Constructivos

Verticales de múltiples escalonamientos

Rodete •

Clasificación  –

Cerrado de simple aspiración

 –

Cerrado de doble aspiración

 –

Semiabierto de simple aspiración

 –

Abierto de doble aspiración

Difusor

Cono difusor

Caja espiral

Secciones de voluta habituales

Corona directriz

Elementos fundamentales de la instalación

Ecuaciones Fundamentales •

Ecuación de Euler de las bombas  H u 

•

u2cu 2  u1cu1   g 

Altura útil o efectiva  H    H u  H r int

m

Ecuaciones Fundamentales •

Aplicando Bernoulli entre entrada y salida  p E     g 

 H  

  z  E  

v E 2 2 g 

 pS    p E     g 

Altura de presión

  H  

 pS     g 

vS 2

  z S  

  z S    z  E  

2 g 

vS 2  vE 2

Altura geodésica

2 g 

Altura dinámica

Ecuaciones Fundamentales •

Primera expresión de la energía útil Y  

 –

 –

 pS    p E   g 

  g  z S    z  E   

vS 2  v E 2 2

La altura geodésica suele ser despreciable en bombas de eje horizontal La altura dinámica suele ser despreciable en bombas de eje horizontal salvo que los diámetros de entrada y salida sean muy distintos entre sí para evitar cavitación

Ecuaciones Fundamentales •

Segunda expresión de la energía útil  p A    g 

  z  A 

v A2 2 g 

  H  pext    H  

 p Z     g 

  z  Z  

v Z 2 2 g 

Presiones A y Z= 0 (depósitos a la atmósfera) Velocidades A y Z despreciables (depósitos muy grandes)

 H  

Donde:

 p Z    p A    g 

 H r ext    H ra   H ri 

Pérdidas en la aspiración (entre A y E)

  z  Z    z  A   H r ext  vt 2 2 g 

Pérdidas en el desagüe

Pérdidas en la tubería de impulsión

Pérdidas •

Pérdidas hidráulicas (P h)  –

 –

•

•

De superficie: por rozamiento viscoso del fluido con las paredes de la bomba y de las partículas de fluido entre sí  De forma: por desprendimiento de la capa límite en cambios de dirección y otras formas difíciles al flujo

Pérdidas volumétricas (PV)  –

Pérdidas de caudal internas: las más importantes:

 –

Pérdidas de caudal externas: más fáciles de evitar

Pérdidas mecánicas (Pm)  –

Rozamiento entre presaestopa y eje de la máquina

 –

Rozamiento entre eje y cojinetes

 –

Accionamiento de auxiliares

 –

Rozamiento de disco

Potencias y Rendimientos

Potencias y rendimientos

Pérdidas mecánicas

Pérdidas por rozamiento entre partículas de fluido

Pérdidas volumétricas

Curvas Características •

Las curvas características son las ecuaciones experimentales que relacionan el caudal, el rendimiento y la altura manométrica (H).

Ecuación de Euler para las bombas:

Altura máxima:

 H u max 

 H u 

u2cu 2  u1cu1 

cu 2  u 2 

 g 

k 2  2

Q k 2  2

 H u max 

1

tan   2

 

Q

 

k 2  2

u 2  u 2 

cu 2  u 2  w2 cos  2  u 2  c m 2 tan 1   2 cm2 

m

u1cu1  0   1  90º

u 2 cu 2

Q

 g 

 g 

 

tan   2  1

2    u 2  u 2

 g 

Q

 g  k 2  2

1

tan   2

Curvas Características  A   B 

u 22  g  u2 k 2  2 g 

1

tan   2 ·Q

 H u max   A  B·Q

Curvas Características Altura efectiva o útil:  H  p int   H ro z    H choque

    f  Q , Q 

 H ro z    f   Q 2  H choque

2

t 

2

 H    H u  H  p int

Curvas Características

http://www.youtube.com/watch?v=XMDO6LVqMik&feature=endscreen

Cavitación •

Fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto baja de cierto valor mínimo admisible: presión de saturación. • •

•

Disminución del rendimiento Erosión

Depende de: • • •

Tipo de bomba (sobre todo, su velocidad) Sitio donde se instala la bomba Condiciones de servicio de la bomba

Cavitación

Cavitación  p1    g 

  z 1 

c12 2 g 

 H  pext  

 p2    g 

  z 2 

c22 2 g 

Altura de aspiración

 H  s   z 2  z 1 Altura de entrada

 H  E  

 p2    g 



v22 2 g 

Altura de entrada disponible

 H  Ed  

 p2   ps    g 



v22 2 g  Altura neta positiva de aspiración disponible (Net Positive Suction Head - NPSHd)

 H  Ed  

 p1   p s

   pext   H  s  NPSH d   H 

Cavitación •

La cavitación se evitará siempre que la altura neta positiva de aspiración sea mayor o igual que la caída de altura de presión en el interior de la bomba:  H  Ed   h

•

La caída de altura de presión en el interior de la bomba depende del tipo de bomba y su construcción y es un valor que aparece en las gráficas de curvas de funcionamiento de las bombas. http://www.youtube.com/watch?v=zowQiteQL2I http://www.youtube.com/watch?v=jGN4l6f6xc8&feature=endscreen http://www.youtube.com/watch?v=GO3ZG3e5xuU http://www.youtube.com/watch?v=YTP7nbiDSOI&feature=endscreen

Cavitación

Altura neta de entrada disponible (NPSHd)

Semejanza •

Las leyes de semejanza sirven para:  –

 –

Predecir el comportamiento de una máquina de distinto tamaño pero geométricamente semejante a otra cuyo comportamiento se conoce, trabajando en las mismas condiciones de rendimiento. Predecir el comportamiento de la misma máquina cuando varía alguna de sus características de funcionamiento, trabajando en las mismas condiciones de rendimiento.

Semejanza

 =   =          = 0 = 0   2   =  2    ′ = ′ ′′ ′′ ′ = ′′

′  ′′

′ = ′′

2 ′  ′′

′ = ′′

 ′  ′′

′ = ′′

2 ′  ′′

′ = ′′

 ′  ′′

Número específico de revoluciones Agrupando:

 ′ = ′  ′  ′′ ′′ ′′ 2 2 ′ ′ ′ =   ′′ ′′ ′′   ′ ′ ′ =   ′′ ′′ ′′

′  = ′ 1/2 ′′ ′′ ′′ ′ ′  = ′ /2 ′′ 2 ′′ ′′ ′ ′2′′−/2 = ′′2′′′′−/2 ′′1/2′−/4 = ′′′′1/2′′−/4 Número específico de revoluciones n s en función de la potencia

 = 3.651/2−/4 Número específico de revoluciones n s en función de el caudal (potencia en CV)

Turbobombas Térmicas

Rendimiento interno •

Tiene en cuenta todas las pérdidas internas del compresor:  –

Por fricción, remolinos y choque en los álabes móviles.

 –

Fricción y remolinos en los álabes fijos.

 –

Rozamiento de disco.

 –

La energía disipada se transfiere al fluido en forma de calor a diferencia de las mecánicas que se transfieren al medio.

Rendimiento interno de un escalonamiento

 ie 

W  s

Trabajo adiabático-reversible

W i

Trabajo interno o trabajo real

Pérdidas internas:

 yi  hi  h s

Rendimiento interno de todo el compresor  yi  hi  h s

h sI   h sII   h sIII    h s  h sC   hr   ie

h    h

 s i

h sC   hr    hiC 

  hr     h sC 1  h sC    R·h sC        R· iC  hiC  hiC  R>1

El rendimiento de todo el compresor es menor que el de un escalonamiento

Relación de compresión de un escalonamiento adiabático TC Radial Compresión isentrópica en el rodete

 c 

 p3  p1



 p2  p3 ·

 p1  p2

Q12  h2 s  h1  0  c pT 2 s

c22  c12

 c pT 1 

2

 W 12

c22  c12 2

 u1c1u  u2c2u 

  p2 s      T 1    p1  

T 2 s

  1  

 

   1 1 2 2  2u2c2u  u1c1u   c2  c1   1   p1  2c pT 1 

 p2 s

Relación de compresión de un escalonamiento adiabático Compresión real en el rodete

  p2      T 1   p1  

T 2

n 1 n

 ie 

h2 s  h1 h2  h1



c p T 2 s  T 1  c p T 2  T 1 

n

  n 1 1 2 2  2u2c2u  u1c1u   c2  c1   1   p1    2c p ieT 1

 p2

Relación de compresión en un escalonamiento adiabático Compresión en el sistema difusor (W 23=0)

c pT 2 

c22 2

 c pT 3 s 

c32 2  

 T 2    1     p1  T 1  

 p2

 c22  1   p2   2c pT 2

 p3 s

 c32    1 1  c 2   2   

 c22  1   p2   2c p ieT 2  p3

 

Isoentrópico

n

 c32   n1 1  c 2   2   

Real

Relación de compresión de un escalonamiento adiabático TC Axial

0  h3  h1 

c c 2 3

2 2

2

c32  c12 2

 u c1u  c2u  3 s

0



h3  h1  u c2u  c1u   vdp  v p3  p1 

 p3   p1    u c2u  c1u  

1

 

  w 2

2 1

 w22   c22  c12 

Corona móvil

Corona fija

Rendimientos •

Rendimiento volumétrico  v 

•

Qutil  Qteórico

Potencia de accionamiento o potencia en el eje  P   GW  s  Gh s

•

Rendimiento mecánico  m 

•

 P i

 P i  GhiC 

 P a

Rendimiento interno  i 

W  s W i



h s hi

Curvas características

Bombas en paralelo

 = 

Bombas en serie

 = 