ARRANQUE DE BOMBAS Y PÉRDIDAS PRIMARIAS

OBJETIVOS :

Conocer el trabajo que realizan las bombas, partes y clasificación.

Reconocer las perdidas primarias que se producen en las tuberías.

FUNDAMENTO TEÓRICO:

Bombas

La bomba es una máquina que absorbe energía mecánica que puede provenir de un motor eléctrico, térmico, etc., y la transforma en energía que la transfiere a un fluido como energía hidráulica la cual permite que el fluido pueda ser transportado de un lugar a otro, a un mismo nivel y/o a diferentes niveles y/o a diferentes velocidades.

El funcionamiento en sí 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.

Existen muchos tipos de bombas para diferentes aplicaciones. Los factores más importantes que permiten escoger un sistema de bombeo adecuado son: presión última, presión de proceso, velocidad de bombeo, tipo de gases a bombear (la eficiencia de cada bomba varía según el tipo de gas).

Tipos de bombas:

Bombas Rotodinámicas: Su funcionamiento se basa en la ecuación de euler, se llama también rotadinámica porque su movimiento es rotativo que constan de un elemento rotor o rodete el cual imparte velocidad al fluido generando presión. Pueden ser centrífugas, de flujo axial, de flujo mixto y multietapas.

Bombas centrífugas: Llamadas así dado que la cabeza de presión es generada por acción centrífuga. El rodete está formado por una serie de aspas curvas ubicadas en ambos lados de los platos. El rodete gira dentro de la voluta como se muestra en la figura 1. El flujo entra a la bomba a través del centro u ojo del rodete y el fluido gana energía a medida que las paletas del rodete lo transportan hacia afuera en dirección radial. La voluta generalmente tiene forma de caracol para generar un incremento gradual en el área de flujo de tal manera que la energía cinética a la salida del rodete se convierte en cabeza de presión a la salida.

Bomba centrífuga.

Bombas multietapas: Son el resultado de colocar varias bombas centrífugas idénticas en serie. Cada rodete imparte la misma cabeza al líquido y la cabeza total generada es proporcional al número de rodetes. Se utiliza un montaje vertical para bombear agua de pozos profundos

Bombas de flujo axial: El líquido entra en dirección axial y la fuerza centrífuga no juega ningún papel en la generación de la cabeza. El movimiento helicoidal impartido por el rodete al fluido es contrarrestado por los álabes fijos y la descarga se encuentra nuevamente en la dirección axial. El ángulo de inclinación de las aspas tiene gran influencia sobre la cantidad descargada: a menor ángulo, menor cantidad para una velocidad dada. Las bombas de flujo axial generalmente se ubican suspendidas sobre el pozo de succión con la campana de succión y el rodete sumergidos. El rotor tiene la forma de un propulsor de barco.

Bomba de flujo axial.

Bombas de flujo mezclado: Este tipo de bombas ha sido desarrollado para realizar actividades que se encuentran entre el alcance de las bombas centrífugas y el de las de flujo axial; por consiguiente, el flujo es en parte radial y en parte axial. Para evitar problemas de cavitación con las bombas de flujo axial y de flujo mezclado se deben tomar muchas precauciones en el diseño del pozo de succión y en la localización del rodete con respecto al nivel del agua. La apariencia de una bomba de flujo mezclado es muy similar a la de una bomba axial.

Bombas de desplazamiento positivo: Estas bombas guían al fluido que se desplaza a lo largo de toda su trayectoria, el cual siempre está contenido entre el elemento impulsor, que puede ser un embolo, un diente de engranaje, un aspa, un tornillo, etc., y la carcasa o el cilindro.

“El movimiento del desplazamiento positivo” consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. Por consiguiente, en una máquina de desplazamiento positivo, el elemento que origina el intercambio de energía no tiene necesariamente movimiento alternativo (émbolo), sino que puede tener movimiento rotatorio (rotor). Sin embargo, en las máquinas de desplazamiento positivo, tanto reciprocantes como rotatorias, siempre hay una cámara que aumenta de volumen (succión) y disminuye volumen (impulsión), por esto a éstas máquinas también se les denomina Volumétricas.

Bombas reciprocantes: Llamadas también alternativas, en estas máquinas, el elemento que proporciona la energía al fluido lo hace en forma lineal y alternativa. La característica de funcionamiento es sencilla.

Bomba rotatoria: Llamadas también rotoestáticas, debido a que son máquinas de desplazamiento positivo, provistas de movimiento rotatorio, y son diferentes a las rotodinámicas. Estas bombas tienen muchas aplicaciones según el elemento impulsor. El fluido sale de la bomba en forma constante, puede manejar líquidos que contengan

aire o vapor. Su principal aplicación es la de manejar líquidos altamente viscosos, lo que ninguna otra bomba puede realizar y hasta puede carecer de válvula de admisión de carga.

Comparación entre bombas de desplazamiento positivo y rotodinámicas.

Bombas de desplazamiento positivo Bombas rotodinámicas

Flujo no permanente debido a la acción de la bomba

Flujo permanente

No puede operar contra una válvula cerrada: para o falla.

Puede operar contra una válvula cerrada. La energía creada de esta manera se convierte en calor.

Para una tarea determinada es más grande que una bomba rotodinámica.

Para una tarea determinada es más pequeña que una bomba de desplazamiento positivo.

No puede bombear fluidos que contengan sólidos.

Puede bombear mezclas de sólidos y líquidos, como por ejemplo aguas residuales.

Punto de operación

El punto de operación es el punto de intersección de la curva de resistencia del sistema y la curva característica cabeza/descarga (H/Q) de la bomba, graficadas en el mismo sistema de coordenadas H Vs. Q como se muestra en la figura 3.

Punto de operación de una bomba.

Pérdidas de carga

Las pérdidas de carga en las tuberías son de dos clases:

Las perdidas primarias, son las pérdidas de superficie en el contacto del fluido con la tubería (capa limita), rozamiento de unas capas de fluido con otras (régimen laminar) o de las partículas de fluido entre si (régimen turbulento). Tienen lugar en flujo uniforme, por tanto principalmente en los tramos de tuberías de sección constante.

Las perdidas secundarias, son las pérdidas de forma, que tiene lugar en las transiciones (estrechamientos o expansiones de la corriente), codos, válvulas, y en toda clase de accesorios de tubería.

La teoría que subyace en el análisis de las pérdidas de carga se puede considerar dividida en dos grandes tipos de pérdidas de carga considerados en esta práctica. Pero en esta experiencia sólo trataremos las pérdidas de carga primarias.

Perdidas primarias:

Las perdidas primarias son aquellas que están relacionadas con las perdidas de energía, que se generan por la fricción entre partículas del mismo fluido al desplazarse dentro de las tuberías y la fricción del fluido con las paredes de dichas tuberías. La magnitud de las pérdidas primarias se evalúan haciendo uso de la ecuación de DARCY-WEISBACH:

hp= f×(L/D)×(V2/2g) En unidades de altura del fluido

Δp= f×(L/DH)×(ρV2/2g) En unidades de presión

Donde: f = Factor de fricción.

L = Longitud de la tubería, donde se generan las perdidas.

V = Velocidad media en el tramo de la tubería.

D = Diámetro de la tubería.

DH = Diámetro hidráulico.

ρ = Densidad.

g = Gravedad.

Calculo del coeficiente de perdidas primarias (λ):

Todos los casos que pueden presentarse, pueden reducirse a estos cuatro:

Régimen laminar:

a) Con tuberías lisas (k/D =0, tuberías de vidrio o de cobre, por ejemplo).b) Con tuberías rugosas: tuberías de hierro, hormigón, etc.

Régimen turbulento:

a) Con tuberías lisasb) Con tuberías rugosas

El coeficiente λ

En general . En régimen laminar , λ no es función de la rugosidad (k/D) En régimen turbulento con número elevado de Reynolds , λ no es función

del número de Reynolds

ANEXOS:

Bombas en paralelo

Si dos o más bombas idénticas se conectan en paralelo, la cabeza a través de cada bomba es igual y el caudal se distribuye por igual entre las bombas.

Si la resistencia del sistema se dibuja sobre la curva combinada H/Q para la operación en paralelo como se muestra en la figura, se puede observar que el caudal no se ve incrementado en proporción al número de bombas funcionando. Por ejemplo, en un sistema de tres bombas, dos bombas operando aportan más de las dos terceras partes de la descarga de las tres bombas.

Bombas en serie

Si dos o más bombas idénticas se conectan en serie, la descarga pasa a través de cada bomba por turnos y soporta un incremento en la cabeza de HD/3 en cada bomba. La interacción de este arreglo con el sistema se muestra en la figura.

Como en el caso de operación en paralelo la descarga total no se incrementa proporcionalmente con el número de bombas. Las bombas en serie son más adecuadas en sistemas con una curva de resistencia alta, por ejemplo, con alto contenido de fricción.

El proceso de transformación de energía en la bomba

Aspiración: Al comunicarse energía mecánica a la bomba, ésta comienza a girar y con esto se genera una disminución de la presión en la entrada de la bomba, como el depósito de aceite se encuentra sometido a presión atmosférica, se genera entonces una diferencia de presiones lo que provoca la succión y con ello el impulso del aceite hacia la entrada de la bomba.

Descarga: Al entrar aceite, la bomba lo toma y lo traslada hasta la salida y se asegura por la forma constructiva que el fluido no retroceda. Dado esto, el fluido no encontrará mas alternativa que ingresar al sistema que es donde se encuentra espacio disponible, consiguiéndose así la descarga.

Al seleccionar una bomba para una aplicación específica se debe considerar:

Naturaleza del líquido a bombear (Tº, m, r, Pv) Capacidad requerida (flujo volumétrico) Condiciones de la succión y de la descarga Carga total sobre la bomba, hA Tipo de servicio (continuo o discontinuo) Limitaciones de espacio, peso y posición Condiciones ambientales Costo de adquisición e instalación de la bomba Costo de operación de la bomba

Carga neta positiva de aspiración (NPSH)

Otro parámetro que requiere especial  atención  en el diseño de bombas es el denominado carga neta positiva de aspiración, la cual es la diferencia entre la presión existente a la entrada de la bomba y la presión de vapor del líquido que se bombea. Esta diferencia es la necesaria para evitar la cavitación. La cavitación produce la vaporización súbita del líquido dentro de la bomba, reduce la capacidad de la misma y puede dañar sus partes internas.

En el diseño de bombas destacan dos valores de NPSH, el NPSH disponible y el NPSH requerido.

El NPSH requerido es función del rodete, su valor, determinado experimentalmente, es proporcionado por el fabricante de la bomba. El NPSH  requerido corresponde a la carga mínima que necesita la bomba para mantener un funcionamiento estable. Se basa en una elevación de referencia, generalmente considerada como el eje del rodete.

El NPSH disponible es función del sistema de aspiración de la bomba, se calcula en metros de agua, mediante la siguiente fórmula:

NPSHA = ha - hvp - hs - hf

Donde: ha es la presión absoluta (m de agua), hvp es la presión de vapor del líquido (m. de agua), hs es la carga estática del líquido sobre el eje de la bomba (m, de agua) y hf es la pérdida de carga debida al rozamiento dentro del sistema de succión  (m de agua).

Cavitación

La cavitación es un fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo admisible.

El fenómeno puede producirse lo mismo en estructuras hidráulicas estáticas (tuberías, venturi, etc.) que en maquinas hidráulicas (bombas, hélices y turbinas).

Por los efectos destructivos que en las estructuras o maquinarias hidráulicas mal proyectadas o mal instaladas produce la cavitación es preciso estudiar este fenómeno, para conocer sus causas y controlarlo.

La cavitación en las bombas (y en las turbinas) produce dos efectos perjudiciales: disminución del rendimiento y erosión. La aparición de la cavitación en las bombas está íntimamente relacionada con:

Con el tipo de la bomba (en general el peligro de cavitación es tanto mayor cuanto mayor sea el numero especifico de revoluciones, ns).

Con la instalación de la bomba (la altura de suspensión de la bomba, Hs, o cota del eje de la bomba sobre el nivel del liquido en él deposito de aspiración, debe ser escogida cuidadosamente para evitar la cavitación).

Con las condiciones de servicio de la bomba (el caudal de la bomba nunca debe exceder el máximo permisible para que no se produzca la cavitación).

PARTE EXPERIMENTAL:

MATERIALES Y EQUIPOS: (Equipos observados en el LOPU)

Equipo de bombas

Bombas en serie Bombas en paralelo

Bomba centrifuga

RECOMENDACIONES:

Ubicar y observar todos los accesorios de seguridad antes de proceder a encender el equipo.

Tener presente las normas de seguridad al hacer funcionar las bombas.

Seguir todos los procedimientos básicos en el manejo de bombas, para evitar la cavitación.