Download - MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
1/191
DISEO DE PLANTAS DEPROCESOS QUIMICOS
LUIS MONCADA ALBITRES MSc.
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
2/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos i
CONTENIDO
CAPITULO 1INTRODUCCIN 21.1 MEDIOS PARA LOGRAR EL FLUJO EN LOS FLUIDOS 2
1.1.1. Desplazamiento 21.1.2. Fuerza centrfuga 31.1.3. Fuerza electromagntica 31.1.4 Transferencia de cantidad de movimiento (momentum) 31.1.5 Impulso mecnico 4
CAPITULO 2CONDICIONES DEL LIQUIDO 52.1 PROPIEDADES 52.2 TEMPERATURA 52.3 CONSTITUYENTES 62.4 ACIDEZ Y ALCALINIDAD 62.5 AERACIN 62.6 SLIDOS 62.7 DERRAMES PERMISIBLES (FUGAS) 72.8 CALIDAD DEL PRODUCTO 72.9 OTRAS CARACTERSTICAS 7
CAPITULO 3CARACTERSTICAS DEL SISTEMA 8
3.1 BOMBEO 83.2 ENERGA DE LA BOMBA 83.3 ENERGA DE SUCCIN 83.4 FLUJO (CAPACIDAD) 93.5 VELOCIDAD 10
3 5 1 Velocidad de flujo recomendada en conductos y tuberas 10
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
3/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos ii
CAPITULO 4SELECCIN DEL TIPO DE BOMBA 31
CAPITULO 5BOMBAS CENTRIFUGAS 365.1 CONFIGURACIN BSICA 365.2 CARACTERSTICAS DE OPERACIN 37
5.2.1 Columna Capacidad 38
5.2.2 BHP (Potencia suministrada) Capacidad 385.2.3 Eficiencia debe ser calculada 385.2.4 CSPN Capacidad 38
5.3 VELOCIDAD ESPECFICA 395.4 VELOCIDAD ESPECFICA DE SUCCIN 405.5 VELOCIDAD DE ROTACIN 415.6 EFICIENCIA DE LA BOMBA 44
5.7 POTENCIA SUMINISTRADA 455.8 ENERGA NECESARIA PARA EL BOMBEO 465.9 LEYES DE AFINIDAD 475.10 CURVAS DEL SISTEMA 495.11 COMBINACIN DE CURVAS DEL SISTEMA Y DE LA BOMBA 505.12 EFECTO DE LAS PROPIEDADES FSICAS DEL FLUIDO 525.13 APLICACIONES DE LAS BOMBAS CENTRFUGAS 58
CAPITULO 6BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO 606.1 BOMBA ROTATORIA 60
6.1.1 Caractersticas 616.1.2 Tipos de bomba rotatoria 626.1.3 Caballaje (potencia): BHP 62
6.1.4 Aplicaciones 626.2 BOMBA RECIPROCANTE 636.2.1 Tipos 636.2.2 Caractersticas de operacin 636.2.3 Aplicaciones 65
6.3 BOMBAS MISCELNEAS 66
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
4/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos iii
7.3.1 Densidad del aire 707.3.2 Velocidades de flujo para lneas de aire comprimido 70
7.3.3 Seleccin del tamao de tubera 717.4 FLUJO DE AIRE EN DUCTOS 75
CAPITULO 8COMPRESORES 808.1 GUA GENERAL DE APLICACIN 81
8.2 CONSIDERACIONES GENERALES PARA COMPRESORES 828.2.1 Propiedades del fluido 828.2.2 Compresibilidad 828.2.3 Naturaleza corrosiva 828.2.4 Mezclas 828.2.5 Condiciones especiales 83
8.3 COMPRESOR RECIPROCANTE 838.3.1 Condiciones de operacin 84
8.3.2 Caractersticas de operacin de un compresor 918.3.3 Solucin a problemas de compresin usando el diagrama de
Mollier107
8.4 COMPRESOR CENTRFUGO 1158.4.1 Consideraciones mecnicas 1158.4.2 Especificaciones 1168.4.3 Caractersticas de operacin 118
8.4.4 Diagrama de compresin 1198.4.5 El proceso de compresin 1198.4.6 Eficiencia 1208.4.7 Columna 1228.4.8 Leyes de afinidad 133
8.5 COMPRESOR AXIAL 1398.5.1 Caractersticas de operacin 139
8.6 SOPLADORES 140
CAPITULO 9VENTILADORES 1419.1 ESPECIFICACIOONES 1449 2 OPERACIN 146
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
5/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos iv
9.10.4 Resumen de clculos en sistemas de ventilacin 1579.10.5 Datos de los fabricantes 158
9.10.6 Operacin a condiciones diferentes de la estndar 160
CAPITULO 10TUBERA Y ACCESORIOS 16610.1 CONDUCTOS Y TUBERAS COMERCIALMENTE DISPONIBLES 166
10.1.1 Conducto de acero 166
10.1.2 Tubos de acero 16710.1.3 Tubos de cobre 16710.1.4 Ductos de hierro dctil 16710.1.5 Otros tipos de conductos y tuberas 167
10.2 AREAS DE CRCULOS DE TAMAO ESTNDAR 16810.3 DISEO MECNICO DE SISTEMAS DE TUBERA 168
10.3.1 Espesor de la pared: Nmero de cdula 16810.3.2 Dimetro Nominal 169
10.3.3 Soportes y otros auxiliares de tubera 16910.4 DISEO DE SISTEMAS DE TUBERA 17010.5 SELECCIN DEL TAMAO DE TUBERA 170
APENDICEA.1 Sistema Internacional de Unidades 173
A.2 Sistema Ingls de unidades 174A.3 Factores de Conversin (sistema Ingls y SI) 175A.4 Factores de Conversin (otros factores utilizados) 175B.1 Viscosidad dinmica 176B.2 Viscosidad cinemtica 176C Propiedades del agua 177D Propiedades de lquidos comunes 179E Propiedades del aire 181F Propiedades de la atmsfera 182G Constante de los gases y exponente adiabtico 183H Dimensiones de tubos de acero 184I Dimensiones de tubera de acero 186J Dimensiones de tubera de cobre tipo k 187K Di i d t b d hi d til 188
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
6/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 1
Prefacio
En las industrias de procesos, el diseo de sistemas para el transporte de fluidos esparte importante tanto para determinar la inversin inicial y el costo de produccin. Eltransporte de fluidos abarca los sistemas para bombear lquidos y gases, siendo lasunidades empleadas las bombas, los compresores y los ventiladores.
Las bombas estn entre los equipos ms antiguos y ms extensivamente usadospor la humanidad en sus esfuerzos por elevar su estndar de vida. No sorprendiendo quelas bombas han sido el objeto de una gran variedad de libros. Muchos de estos libros
han enfocado un tipo particular de bomba, y en muchos casos a un aspecto particular deun tipo de bomba.Los procesos qumicos generalmente usan tres tipos bsicos de bombas,
centrifugas, rotatorias y reciprocantes.Lo cual garantiza un texto entendible con untratamiento conciso de cada tipo de bomba. Para ser usado como una referencia simple
para el ingeniero qumico, deber cubrir aplicacin, seleccin, construccin,adquisicin, instalacin, operacin y mantenimiento.
As para lograr el objetivo, este libro ha sido preparado como una gua para
determinar la potencia de una bomba, seleccionar el tipo de bomba mas apropiado,materiales de construccin, y otras caractersticas.
Con respecto al bombeo (compresin) de gases tambin se describen losdiferentes tipos de compresores y ventiladores, dando las pautas necesarias para sudiseo y especificacin segn las caractersticas del proceso particular.
Finalmente se dan las pautas para seleccionar los tipos y tamaos de tuberas (oductos) para la construccin del sistema de bombeo tanto para lquidos como gases.
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
7/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 2
CAPITULO
1INTRODUCCION
El bombeo en las industrias de procesos qumicos, involucra el movimiento de unvolumen de lquidos de proceso, la inyeccin precisa de reactantes, y la provisin ydisipacin de energa.
Los medios comnmente empleados para lograr flujo en los fluidos son: gravedad,desplazamiento, fuerza centrifuga, fuerza electromagntica, transferencia de cantidad de
movimiento (momentum), impulso mecnico o combinaciones de estos seis mediosbsicos. Despus de la gravedad, el medio mas empleado actualmente es la fuerzacentrifuga.
1.1 MEDIOS PARA LOGRAR EL FLUJO EN LOS FLUIDOS
1.1.1 DesplazamientoLa descarga de un fluido de un recipiente mediante el desplazamiento parcial o
total de su volumen interno con un segundo flujo o por medios mecnicos, es elprincipio de muchos dispositivos de transporte de fluidos. En este grupo se incluyen lasmquinas de diafragma y de pistn de movimiento alternativo, los tipos de engranajes y
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
8/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 3
1.1.2 Fuerza centrfuga
Cuando se utiliza fuerza centrfuga, sta es proporcionada por medio de unabomba centrfuga o de un compresor. Aunque vara mucho el aspecto fsico de losdiversos tipos de compresores y bombas centrfugas, la funcin bsica de cada uno deellos es siempre la misma, o sea, producir energa cintica mediante la accin de unafuerza centrfuga y, a continuacin, convertir parcialmente esta energa en presin,mediante la reduccin eficiente de la velocidad, del fluido en movimiento.
En general, los dispositivos centrfugos de transporte de fluidos tienen las
caractersticas que siguen:1) La descarga est relativamente libre de pulsaciones.2) El diseo mecnico se presta para manejar grandes caudales, lo que significa que
las limitaciones de capacidad constituyen raramente un problema.3) Pueden asegurar un desempeo eficiente a lo largo de un intervalo amplio de
presiones y capacidades, incluso cuando funcionan a velocidad constante.4) La presin de descarga es una funcin de la densidad de fluido.5) Estos son dispositivos de velocidad relativamente baja y ms econmicos.
La bomba o compresor de flujo axial es un dispositivo que combina el empleo dela fuerza centrifuga con el impulso mecnico para producir un aumento de presin. Eneste dispositivo, el fluido se desplaza aproximadamente paralelo al eje a travs de unaserie de paletas radiales aerodinmicas. El fluido se acelera en la direccin axialmediante impulsos mecnicos de las paletas giratorias y, al mismo tiempo, se estableceun gradiente positivo de presin en la direccin radial, en cada una de las etapas,mediante la fuerza centrfuga. La elevacin neta de presin por etapa es el resultado de
esos dos efectos.
1.1.3 Fuerza electromagntica
Cuando el fluido es un buen conductor elctrico, como sucede con los metalesfundidos, es posible aplicar un campo electromagntico en torno al ducto del flujo, detal modo que se genere una fuerza impulsora que provocar el flujo. Esas bombas se
desarrollaron para el manejo de lquidos para transferencia de calor sobre todo para losreactores nucleares.
1.1.4 Transferencia de cantidad de movimiento (momentum)
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
9/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 4
1.1.5 Impulso mecnico
El principio del impulso mecnico, cuando se aplica a los fluidos, se combina porlo comn con uno de los otros medios de aplicacin de movimiento. Como se mencionantes, esto es lo que ocurre en el caso de las bombas y los compresores de flujo axial.Las bombas de turbina o del tipo regenerativo, son otros dispositivos que funcionan
parcialmente mediante impulso mecnico.El bombeo es tambin denominado como "el corazn" de un proceso qumico, y
es una buena analoga. Un bombeo satisfactorio es entonces de fundamental
importancia; y para lograrlo se debe definir:
1. Condiciones de servicio2. Especificacin del sistema de bombeo3. Adquisicin4. Instalacin5. Operacin6. Mantenimiento.
No definir o enfocar alguno de estos aspectos adecuadamente puede trabar unproceso. Pero de todos estos, lo ms importante es especificar correctamente una bombapor lo cual este texto enfocar con mayor amplitud este punto. La Fig. 1.1, muestra lasecuencia bsica para hacer esto. Note que la iteracin es una parte inherente de estasecuencia.
Los tipos de bombas revisados son centrifugas, rotatorias y reciprocantes. Debido
al tamao y la orientacin de esta obra no es posible un exhaustivo tratamiento de losdiferentes tipos de bombas.
Proceso
Condiciones del
Liquido
Caractersticas
Del sistema
Revisar Segn sea requerido
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
10/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 5
CAPITULO
2CONDICIONES DEL LIQUIDO
El bombeo en procesos qumicos involucra el manejo de lquidos que soncorrosivos, txicos o ambos. Esto hace que para este servicio se debe seleccionaradecuadamente los materiales de construccin, la construccin mecnica interna y lostipos de empaquetaduras necesarios.
Debido a que la naturaleza del liquido a ser bombeado condiciona la construccin
de una bomba, la determinacin de las caractersticas del mismo es un primer pasoesencial en una aplicacin de bombeo. No hacer esto con suficiente precisin es una
primera causa de fallas prematuras de bombas qumicas.
2.1. PROPIEDADES
Las propiedades del liquido influyen en el tipo de bomba y su construccinmecnica. Las propiedades del liquido necesarias para seleccionar una bomba son:
Gravedad especfica (SG) o densidad relativa (RD)Presin de vaporViscosidadCaractersticas reolgicas (s son diferentes de los Newtonianos)
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
11/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 6
especificacin ideal da el rango de temperatura esperado y temperatura normal deoperacin.
2.3 CONSTITUYENTES
La mayora de lquidos bombeados son soluciones de mltiple componentes. Paraayudar a seleccionar el material mas adecuado para la bomba, es necesario conocer losconstituyentes lquidos y sus concentraciones. En esta relacin es vital que todos los
constituyentes, mayora y trazas, sean identificados y que sus concentraciones seandadas en unidades especficas.Trazas de constituyentes, particularmente halgenos, haluros o componentes de
hidrgeno, pueden hacer un material nominalmente satisfactorio enteramenteinsatisfactorio.
Las concentraciones necesarias para evitar esta situacin se deben especificar, enlugar de usar trminos como "diluido" y "concentrado". Tratamiento similar esnecesario para trazas de constituyentes debido a que sus efectos pueden variar
marcadamente con pequeos cambios en la concentracin.
2.4 ACIDEZ Y ALCALINIDAD
Si una solucin es cida o alcalina, o probablemente vare es de consecuenciapara la seleccin del material. Por esta razn, debe especificarse el pH o el posible
rango depHde la solucin.
2.5 AERACIN
El grado de aeracin de una solucin puede tener un efecto significante en sucorrosividad. Aleaciones que presentan oxidacin por pasividad, por ejemplo el aceroinoxidable 316, sufren severa corrosin en soluciones sin aeracin. Para soluciones que
dependen de la reduccin del ambiente para resistir a la corrosin, la aeracin de lasolucin puede promover severa corrosin.
2.6 SLIDOS
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
12/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 7
un escape a muy pequeas proporciones o nada. Poco o nada de escape requierenconsideraciones especiales en la seleccin, diseo y calidad de las bombas.
2.8 CALIDAD DEL PRODUCTO
Algunos lquidos, ya sea su calidad, pureza o condicin pueden ser afectados porla bomba mediante la contaminacin o agitacin, respectivamente. Cuando este es elcaso, es necesario especificar claramente la configuracin apropiada de la bomba y los
materiales seleccionados.
2.9 OTRAS CARACTERSTICAS
Algunos procesos involucran el bombeo de lquidos con caractersticas especiales.Un ejemplo son las resinas polimerizadas para lo cual primero se deber establecer si
pueden ser manipuladas mediante una bomba, y luego analizar las caractersticas vistas
anteriormente.
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
13/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 8
CAPITULO
3CARACTERISTICAS DEL SISTEMA
3.1 BOMBEO
El bombeo involucra el movimiento de liquido, u, ocasionalmente, una mezclalquido-gas, desde una fuente de succin hasta un punto de descarga. La Fig. 3.1muestra un sistema tpico y la gradiente hidrulica asociada con un flujo continuo
particular.
3.2 ENERGA DE LA BOMBA
El primer punto a notar a partir de la gradiente hidrulica es que la bomba essolamente el aparato que suministra energa. Y tiene que adicionar toda la energarequerida; no solamente para vencer la diferencia de presiones entre la succin y ladescarga, sino tambin las prdidas en los conductos. An cuando este punto puede
parecer sin importancia, es fundamental y no puede ser dejado de lado. La energasuministrada por la bomba es igual a la columnadel sistema o resistencia.
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
14/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 9
3.4 FLUJO (CAPACIDAD)
Esta variable es expresada en las siguientes unidades. En unidades del SI, lacapacidad es expresada en metros cbicos por hora (m3/h) tanto para lquidos como paragases. En unidades usuales se expresa en galones por minuto (gal/min) para lquidos yen pies cbicos por minuto (pies3/min.) para gases.
P
4
P
2
GRADIENTE HIDRAULICA
ENERGIA PARA BOMBEO
2
3
2
1
3
CSPN1
PRESION DE VAPOR
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
15/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 10
El tamao de la bomba es determinado por la velocidad de flujo requerida. Paraplantas nuevas o plantas existentes bien documentadas, las velocidades de flujo sonobtenidas de datos del proceso, mientras que en otros casos se deben hacer medicionesdel flujo para especificar la bomba o reemplazar una bomba vieja.
Cuando el flujo puede variar de acuerdo a las condiciones de operacin de laplanta, se deben especificar los diferentes valores. Los trminos convencionales son:
Velocidad de flujo para la cual debe ser dimensionada la bomba; usualmente elflujo mximo.
Flujo normal al cual la bomba deber de operar la mayora del tiempo.
Mnimo flujo al cual la bomba puede operar; debe especificarse el tiempo probablea esta condicin.Las velocidades de flujo frecuentemente incluyen algn "margen" para compensar
incertidumbres en los clculos del proceso o desgaste de la bomba ambos. Para evitarsobredimensionamiento, es adecuado un margen de 5% en las fluctuaciones de flujo.
3.5 VELOCIDAD
Puesto que la mayor parte de lquidos son prcticamente incompresibles, existeuna relacin definida entre la cantidad que fluye por un punto dado en un tiempodeterminado y la velocidad de flujo. Esta relacin se expresa como sigue:
Q = AV (3.1)
Esta relacin en unidades SI es como sigue:
V(para ductos circulares)=3,542D
Q (3.2)
donde V = velocidad promedio de flujo, m/s; Q = cantidad de flujo, m3/h; y D =dimetro interior del ducto, cm.
Esta misma relacin en unidades usuales es
V(para ductos circulares) = 0,4092D
Q (3.3)
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
16/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 11
La velocidad de flujo aumenta a medida que disminuye el rea de la trayectoria deflujo. Por consiguiente, los tubos ms pequeos producirn altas velocidades, y, alcontrario, los tubos ms grandes proporcionarn bajas velocidades. Como se vera msadelante, las prdidas de energa y las correspondientes cadas de presin aumentandrsticamente a medida que aumenta la velocidad de flujo. Es por esta razn que se hacedeseable mantener las velocidades bajas. Pero debido a que los tubos y los conductosgrandes son ms costosos. Es necesario establecer algunas limitaciones.
Una velocidad de flujo razonable para sistemas de distribucin de fluido es deaproximadamente 3,0 m/s (alrededor de 10 pies/s). Esto se puede aplicar a agua, aceite y
otros lquidos de uso comn en conductos, fuera de las salidas de las bombas. Undesempeo apropiado de una bomba requiere velocidades ms bajas en su entrada,aproximadamente 1,0 m/s (alrededor de 3 pies/s). Como se ver en el Captulo referentea Tubera y accesorios la seleccin del dimetro de tubera para tener una velocidadrazonable es analizada desde el punto de vista econmico y se aplica el criterio deldimetro ptimo
3.6 ENERGA ADICIONADA
Para producir el flujo deseado a travs de un sistema particular, se debe adicionarenerga al liquido (ver la gradiente hidrulica en la Fig. 3.1). La energa necesaria se
puede expresar en unidades de presin o de columna. Una va conveniente para ilustrarla energa total del liquido y la nter cambiabilidad de presin y columna es alconsiderar las condiciones de flujo en un conducto, Fig. 3.2.
PUNTO A
LIQUIDO DE DENSIDADH
1
Z
Pg
v
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
17/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 12
La correccin por elevacin, gHz, tomada considera la presin potencialadicional aplicada al manmetro por la columna de liquido entre l y el punto A. S elmanmetro estara sobre el punto de medicin, la correccin debera ser positiva.
En el punto A, el liquido tiene una velocidad, V, entonces su presin total,Pt, es lapresin esttica ms la producida por la velocidad.
g
VgHPP Zgtotal 2
2
+= (3.5)
la Ec. 3.1 incorpora la ecuacin general relacionando presin a columnaP = gH (3.6)
La conversin de presin a columna y viceversa es efectuada mayormente usandogravedad especfica (SG) o densidad relativa (RD).
En el SI (P= kPa yH= metros)
P = 9,81(H)(RD) (3.7)
En el sistema ingls (P= psia yH= pies)
31,2
HP= (SG) (3.8)
La Fig. 3.3, ilustra la relacin entre presin y altura (nivel) o columna de liquido
para varias SGs. La presin en un punto se puede expresar en trminos manomtricos oabsolutos.
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
18/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 13
MANOMETRICA
ABSOLUTA
ATMOSFERICA
Fig. 3.4 Presin.Manomtrica es la presin por sobre la presin atmosfrica local ypor lo tanto depende de la localizacin y elevacin. Absolutaest referidaal cero absoluto y es independiente de la localizacin o elevacin.
3.7 CARACTERSTICAS DEL SISTEMA
El establecimiento cuidadoso de las caractersticas del sistema es esencial.Defectos al hacerlo, acarrean errores en la seleccin de la bomba, resultando problemascon el proceso, equipo o ambos.
En la mayora de los estimados, las caractersticas del sistema son esencialmenteindependientes del tipo de bomba. La nica excepcin es la CSPN donde flujos
plsatiles o fluctuantes pueden tener un marcado efecto.
3.8 COLUMNA DEL SISTEMA
Ph
Pd
4
sfo
hed
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
19/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 14
3.9 DETERMINACIN DE LAS COLUMNAS
La Fig. 3.1, muestra la columna del sistema para un flujo particular; el problemaahora es como determinarla.
Un sistema general de bombeo, sin las vlvulas por simplicidad, es mostrado en laFig. 3.5. La tarea es bombear fluido desde el tanque 1 al tanque 2.
La columna del sistema o resistencia tiene tres componentes: Columna depresin esttica, columna de elevacin y columna de friccin.
3.9.1 Columnas de presin esttica
La columna de presin esttica es la diferencia de presiones de los tanques o entreel punto de succin y de descarga; para la Fig. 3.5 es:
sdP PPH = (3.9)
donde HP= Columna de presin totaldP = Columna de presin en la descarga
sP = Columna de presin en la succin
h
h
hfdhfo
Pd
ed
fs
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
20/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 15
Las columnas de presin esttica, se determinan por especificacin de laspresiones en el lado de la succin y la descarga respectivamente para plantas nuevas o
por medicin de dichas presiones para plantas en operacinEn el SI (HP= m,Pd y PS= kPa )
(3.10)( )(RDPPH SdP = 81,9 )
En unidades usuales (HP= pies,Pd y PS= psi)
( )SG
PPH SdP 31,2= (3.11)
3.9.2 Columnas de elevacin
Las columnas de elevacin o de nivel, es la diferencia de nivel entre los puntos desuccin y descarga. Para evitar confusin, la columna de nivel debe determinarseusando un punto de referencia. Para bombas horizontales el punto de referenciausualmente es el eje de la bomba; para bombas verticales el punto de referencia es el ejedel impulsor de la primera etapa. Un nivel de liquido sobre el punto de referencia es
positivo, y por debajo es negativo (Fig. 3.6). para el sistema de la Fig. 3.5 la columna deelevacin es:
He = hed hes (3.12)
donde He = columna total de elevacin, m (pies)hed= columna de elevacin en la descarga, m (pies)hes= columna de elevacin en la succin, m (pies)
Las columnas de elevacin o de nivel, se determinan por especificacin del nivelde los puntos de succin y de descarga para proyectos nuevos y por medicin para
plantas en operacin.
3.9.3 Columnas de friccin
Las prdidas por friccin se dan a lo largo de la tubera recta y en los accesorios,las prdidas por friccin en un sistema dependen del flujo y del nmero de Reynolds. Elefecto del nmero de Reynolds es sobre la variacin de prdidas por friccin con elfl j A l d " i i " l fl j l i l did
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
21/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 16
1. Tuberas Circulares.- la ecuacin de Fanning o Darcy (Ec. 3.13) para flujoestacionario en tuberas circulares uniformes que corren llenas de lquido en
condiciones isotrmicas
cg
V
D
Lfh
2
2
= (3.13)
Expresa la prdida de columna hpor friccin en unidades de nivel de liquido m(pies), donde D= dimetro del conducto, m (pies);L= longitud del conducto, m (pies);
= densidad del fluido, kg/m3 (lb/pie3); V = velocidad del fluido, m/s (pies/s); gc =constante dimensional, m/s2 (pies/s2); f= factor de friccin de Fanning, que carece dedimensiones.
La ecuacin de Darcy se puede utilizar para calcular la prdida de energa ensecciones largas y rectas de conductos redondos, tanto para flujo laminar comoturbulento. La diferencia entre los dos est en la evaluacin del factor de friccin,f, quecarece de dimensiones.
El factor de friccin de Fanning fes una funcin del nmero de Reynolds NRey la aspereza de la superficie interna del canal o rugosidad, . Una correlacin que seutiliza con mucha frecuencia, como se muestra en el apndice es una grfica del factorde friccin de Fanning en funcin del nmero de Reynolds y la aspereza relativa /D,donde = aspereza de la superficie,D= dimetro de la tubera. Esta grfica es conocidacomo el diagrama de Moody. En la tabla 3-1 se presentan valores de para variosmateriales.
TABLA 3.1 Valores de aspereza superficial para varios Materiales
Aspereza de superficie ,Materialm pies
Vidrio, plstico Suavidad Suavidad
Cobre, latn, plomo (tubera) 1,5 x10 6 5 x10 6Hierro fundido: sin revestir 2,4 x10 4 8 x10 4Hierro fundido: revestido de asfalto 1,2 x10 4 4 x10 4Acero comercial o acero soldado 4,6 x10 5 1,5 x10 4Hierro forjado 4,6 x10 5 1,5 x10 4A h d 1 8 10 3 6 10 3
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
22/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 17
f = 64/NRe (3.14)
Esta relacin est graficada en el diagrama de Moody como una lnea recta en ellado izquierdo del diagrama.
Desde luego, para nmeros de Reynolds desde 2000 hasta 4000, el flujo seencuentra en la regin crtica y es imposible predecir el valor def.
Por encima del nmero de Reynolds de 4000, por lo general el flujo se conocecomo turbulento. Sin embargo, en esencia existen dos zonas de inters en este punto.Hacia el lado derecho del diagrama, el flujo est en la zona de completa turbulencia. Se
puede observar que el valor de fno depende del nmero de Reynolds, sino slo de larugosidad relativaD/.En este intervalo se aplica la siguiente frmula:
)/7,3log(21 Df
= (3.15)
La frontera de esta zona es la lnea punteada que corre, por lo general, de la partesuperior izquierda a la parte inferior derecha del diagrama de Moody. La ecuacin de
esta lnea es:
)/(200
1 ReD
N
f= (3.16)
La tercera zona del diagrama de Moody, que se conoce como zona de transicin,se encuentra entre la zona de completa turbulencia y la lnea que se identifica comoconductos lisos. La lnea de conductos lisos tiene le ecuacin:
=
51,2log2
1 Re fN
f (3.17)
Siendo lisos, estos conductos no presentan irregularidades superficiales al flujo,
de modo que el factor de friccin slo es funcin del nmero de Reynolds. Losconductos hechos de vidrio o de cobre tienen un valor de rugosidad relativa que losacerca a la lnea de conductos lisos.
En la zona de transicin, el factor de friccin es funcin tanto del nmero deReynolds como de la rugosidad relativa. C. F. Colebrook desarroll la relacin para elfactor de friccin en esta zona:
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
23/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 18
La siguiente ecuacin que permite el clculo directo del valor del factor defriccin, fue desarrollada por P.K. Swamee y A.K. Jain
f =2
9,0Re
74,5
)/(7,3
1log
25,0
+
ND
(3,19)
La Ec. (3.19) produce valores para fque se encuentran entre 1,0 % del valor de
los correspondientes a la ecuacin de Colebrook (3.18), dentro del intervalo derugosidad relativa, D/,comprendido entre 1000 y 1 x106, para nmeros de Reynoldsque van de 5 x103hasta 1 x108. Esta es virtualmente la zona de turbulencia completadel diagrama de Moody.
ResumenPara calcular el valor del factor de friccin, f, cuando se conocen el nmero de
Reynolds y la rugosidad relativa, utilizar la Ec. (3.14) para flujo laminar y la Ec. (3.19)para flujo turbulento.
2. Perdidas de presin por contraccin. Para una contraccin repentina en el rea dela seccin transversal de un conducto (Fig. 3.8 a), la prdida de energa mecnica debidaa la friccin, para flujo turbulento, es
(3.20))2/(2
2 cc gVKh=donde V2 = velocidad promedio en la tubera ms pequea;Kc= coeficiente, funcin dela razn de un rea de seccin transversal mayor, A1 (D1) a un rea de seccintransversal menor,A2(D2). Los valores de Kcpara flujos turbulentos aparecen en latabla 3-2
TABLA 3.2 Coeficiente para prdidas por contraccinrepentina para flujo turbulento
Velocidad V2D1/D2 0,6 m/s
2 pies/s1,2 m/s4 pies/s
1,8 m/s6 pies/s
2,4 m/s8 pies/s
3 m/s10 pies/s
4,5 m/s15 pies/s
6 m/s20 pies/s
9 m/s30 pies/s
12 m/s40 pies/s
1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
24/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 19
V1 D1 V2 D2 V1 D1 V2 D2
Fig. 3.8 a Contraccin repentina Fig. 3.8 b EnsanchamientoSbito
3. Prdidas de presin por ensanchamiento y salida en el caso de conductos de
cualquier seccin transversal, las prdidas de presin por ensanchamiento repentino(Fig. 3.8 b) con un flujo turbulento, est dada por la ecuacin de Borda-Carnot,
( )2
2
12
12
21 122
=
=
A
A
g
V
g
VVh
cc
(3.21)
donde V1= velocidad en el ducto pequeo, V2= velocidad en el conducto mayor, A1=
rea de la seccin transversal del conducto ms pequeo, y A2= rea de la seccintransversal del conducto mayor.La Ec. (3.21) puede escribirse en forma similar a la Ec. (3.20) en funcin deKcy
los dimetros de las tuberas:
=
c
cg
VKh
2
21 (3.22)
TABLA 3.3 Coeficiente para prdidas por ensanchamientorepentino para flujo turbulento
Velocidad V1D2/D1 0,6 m/s
2 pies/s1,2 m/s4 pies/s
3 m/s10pies/s
4,5 m/s15 pies/s
6 m/s20 pies/s
9 m/s30 pies/s
12 m/s40 pies/s
1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
1,2 0,11 0,10 0,09 0,09 0,09 0,09 0,081,4 0,26 0,25 0,23 0,22 0,22 0,21 0,201,6 0,40 0,38 0,35 0,34 0,33 0,32 0,321,8 0,51 0,48 0,45 0,43 0,42 0,41 0,402,0 0,60 0,56 0,52 0,51 0,50 0,48 0,472,5 0,74 0,70 0,65 0,63 0,62 0,60 0,583 0 0 83 0 78 0 73 0 70 0 69 0 67 0 65
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
25/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 20
TABLA 3.4 Prdida adicional por friccin para flujoturbulento a travs de accesorios y vlvulas
Tipo de accesorio o vlvula Ki
L de 45, estndarL de 45, radio largoL de 90, estndar
Radio largo
Cuadrada o a ingleteCodo de 180, retorno cerradoT estndar en un tramo, bifurcacin sellada
Usada como L al entrar a una bifurcacinUsada en L al entrar a una bifurcacinFlujo que se bifurca
AcoplamientoUnin
Vlvula de compuerta, abierta3/4 abierta1/2 abierta1/4 abierta
Vlvula de diafragma, abierta3/4 abierta1/2 abierta
1/4 abiertaVlvula de globo, de asiento biselado, abierta1/2 abierta
De asiento compuesto, abierta1/2 abierta
De tapn, abierto3/4 abierta1/2 abierta
1/4 abiertaVlvula angular, abiertaY o vlvula de escape, abiertaVlvula de retencin de columpio
De discoD b l
0,350,20,750,45
1,31,50,41,01,01,00,040,04
0,170,94,5
24,02,32,64,3
21,06,09,56,08,59,0
13,036,0
112,02,03,02,0
10,070 0
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
26/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 21
donde h= prdida adicional por friccin (prdida total por friccin menos prdida porfriccin correspondiente e la lnea central de tubera recta), V= velocidad promedio
del fluido, y gc = constante dimensional. Las cantidades Le/D y Ki no son del todocomparables, pero ambas son exactas dentro de los lmites de los datos disponibles odiferentes en detalles de los aditamentos y vlvulas comerciales existentes.
Tericamente, Ki deber ser constante para todos los tamaos de un diseo deaditamentos o vlvulas dadas, si todos ellos fueran geomtricamente similares; sinembargo, raramente se logra esa similitud geomtrica. Los datos indican que laresistenciaKitiende a disminuir al incrementarse el tamao del aditamento o la vlvula.
En la tabla 3.4 se incluyen valores representativos de Kipara muchas clases deaditamentos y vlvulas. Tambin se pueden obtener valores aproximados de Le/D,multiplicando Kipor 45 en caso de lquidos similares al agua y por 55 en el caso degases similares al aire.
Considerando los tres componentes se tiene la columna total del sistema oresistencia. En trminos de columna de liquidopara bombas centrifugas
En el SI
( )( )
( ) ( oisdsdSd
Total hfhfhfhfheheRD
PPH +++++=
81,9 ) (3.24)
HTotal= Hp + He + hf (3.25)
donde HTotal= columna o resistencia total, mHp= columna total de presin, m
He= columna total esttica, mhf= columna total de friccin, mhfd= friccin en la descarga, mhfs= friccin en la succin, mhfi= friccin al ingresar a la tubera, mhfo= friccin al salir de la tubera, mhes= columna esttica en la succin, mhed= columna esttica en la succin, mPs= presin en la succin, kPaPd= presin en la descarga, kPaRD = densidad relativa
En unidades usuales
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
27/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 22
En unidades usuales
( )
+
+=
31,231,2SGhfSGHePPP sdTotal (3.28)
donde la presin est dada en psi, y la columna en piesLa Fig. 3.7 muestra los componentes de la columna del sistema y la resultante
caracterstica
sistem
Columna total dela
hf
He Elevacin
Hp Presin
FLUJO
FriccinCOLUMNA
Fig. 3.7Columna del sistema
Las columnas de presin esttica y de elevacin son frecuentementeindependientes del flujo.
En muchos casos los componentes de la columna del sistema pueden variar conlas condiciones del proceso o el tiempo. Por ejemplo, la columna de presin esttica
varia cambiando el nivel de los puntos de succin y/o descarga, las prdidas por friccinson afectadas por la viscosidad del liquido o condicin de la tubera (cambio dedistribucin). Los extremos asociados con estas variaciones deben determinarse paraconseguir que el bombeo se pueda realizar bajo tales condiciones.
Como muestra la Fig. 3.7 la columna de friccin es una curva logartmica en lal l i t i d l i t i t l d d d l fl j d d l
C i Q i 23
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
28/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 23
proporcionar la presin requerida para vencer la friccin de la tubera, o cualquiercombinacin de estas. Independientemente del servicio que se requiere de una bomba,
debemos impartirle toda la energa requerida para realizar este servicio, asimismo, sedeben emplear unidades congruentes para todas las variables utilizadas en el clculo deltrabajo o potencia realizada.
Para el clculo del rendimiento de una bomba, se acostumbra conocer su potenciadesarrollada (o potencia hidrulica), que es el producto de 1) la columna total oresistencia (carga dinmica total), y 2) la masa del liquido bombeado en un tiempodado. En unidades del SI, la potencia se expresa en kilowatts; en unidades usuales es elcaballo potencia (hp).
En unidades del SI
51067,3 = HQkW (3.30)
en donde kW es la potencia desarrollada por la bomba, kW; H, la columna total delliquido, m (carga dinmica); Q, el caudal o capacidad, en m3/h; , la densidad dellquido en kg/m3.
Cuando la columna totalH es expresada en Pascales, entonces
610599.3 =HQkW (3.31)
En unidades usuales,
3
1096,3
=HQshp (3.32)
donde hp es la potencia desarrollada por la bomba, hp; H la columna total (cargadinmica), pies; Q, el caudal (capacidad) en galones de EE UU/min; s, la gravedadespecfica del liquido.
Cuando la columna total Hes expresada en libras fuerza por pulgada cuadrada,entonces
310714.1 =HQhp (3.33)
La potencia suministrada a una bomba (o caballaje de freno), es la potenciasuministrada por el motor a la bomba, y es mayor que su potencia desarrolladaa causade las prdidas internas debido a friccin fugas etc La eficiencia de una bomba se
B b C V til d P Q i 24
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
29/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 24
arrastradas hasta un punto de mayor presin donde sbitamente se colapsarn. Estefenmeno se conoce como cavitacin. Debe evitarse la cavitacin de una bomba, ya
que normalmente trae como consecuencia erosin del metal , vibracin, flujo reducido,prdida de eficiencia y ruido.
Cuando la presin absoluta de succin es baja, puede aparecer cavitacin en laadmisin de la bomba y causar daos en la succin y en las paletas del impulsor cercade los bordes de la admisin. Para evitar este fenmeno, es necesario mantener unacolumna de succin positiva neta requerida (CSPN)R, denominada tambin carganeta de succin positiva requerida (NPSH)Rque no es sino la carga total equivalentede liquido en la lnea de centro de la bomba menos la presin de vapor P
v. Cada
fabricante de bombas publica sus propias curvas relacionando esta (CSPN)R con lavelocidad y capacidad de cada bomba (por lo tanto la (CSPN)Rpertenece a la bomba yes un dato del fabricante).
En el momento de disear la instalacin de una bomba, debe cuidarse que lacolumna de succin positiva neta disponible (CSPN)A o carga neta de succinpositiva disponible (NPSH)A, sea igual o mayor que la (CSPN)R para la capacidaddeseada. La (CSPN)Apertenece al sistema, debe ser mayor que cero, y puede calcularse
en unidades del SI de la siguiente manera:Para disear una instalacin nueva
(CSPN)A= hes + Ps hfsg
Pv
(3.35)
Si la (CSPN)A requiere ser verificada en una instalacin existente, podemosdeterminarla de la manera siguiente:
(CSPN)A=( )
g
PPP vmanatm
+
+ hvs (3.36)
donde hvs= carga de velocidad en la entrada a la bomba
hvs=
cg
V
2
2
(3.37)
En unidades del sistema ingls
(CSPN)A= hes hfs 2,31 Pv/SG (3.35b)
Si la (CSPN) requiere ser verificada en una instalacin existente:
Bombas Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 25
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
30/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 25
trminos de columna. Las bombas reciprocantes, sin embargo, tienen vlvulas cuyaapertura es una accin dinmica, haciendo al componente dominante de la (CSPN)Runa
presin. Esta consideracin hace primar el uso del trmino PPNE (presin positivaneta de entrada). Para bombas rotatorias los requerimientos de CSPN sonesencialmente el producto de la accin cintica, pero debido a que hay desplazamiento
positivo en el artefacto, convencionalmente se expresa los requerimientos de CSPN entrminos de presin.
Ejemplo 3.1
De un tanque cerrado provisto de un respiradero a la atmsfera se deseabombear agua a 20 C (68 F), hacia una torre de absorcin. El nivel de liquido en eltanque se encuentra a 7,0 m (19,7 pies) sobre el eje de la bomba, el caudal es de20,0 m3/h (88 gpm).
La conexin de entrada del agua en el tope de la torre se halla a 20,0 m (65,6pies) sobre el nivel del eje de la bomba.
La lnea de succin consiste de tubera de acero estndar de 2" (5,08 cm) de
dimetro nominal, No. de cdula 40S y 40,0 m (131,2 pies) de longitud, posee 4 codosestndar y una vlvula de compuerta ("gate") abierta.
La lnea de descarga tambin es de acero estndar de 2" (5,08 cm) de dimetronominal, No. de cdula 40S y 60,0 m (198,6 pies) de longitud, tiene 2 codos estndar, 2T usadas como codo y una vlvula de control, la presin manomtrica en la torre deabsorcin es de 137,9 kPa (20 psig).
DeterminarLa columna total del sistemaLa potencia desarrollada par la bombaLa (CSPN)A
Pd
V C
Ps = 1 atm =101,33 kPa
Bombas Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 26
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
31/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 26
Solucin
1. Datos1.1 Tubera
DNominal= 2 pulg. = 5,08 cm (50,8 mm)
No. cdula = 40S (calibre)
Ref. Tabla H del apndice: Tubera de acero calibre 40
Dext. = 2,375 pulg. = 6,03 cm (60,3 mm)Espesor de la pared = 0,154 pulg. = 0,39cm (3,9 mm)
Dint. = 2,067 pulg. = 5,25 cm (52,5 mm)
Area de seccin transversal = 0,02333 pies2= 2,168 x 10 3 (m2)
1.2 Liquido a bombear: Agua a 20 CS I S Ingls
103kg/m3 62,4 lb/pie3 1cp (10-3Pa.s) 2,42 lb/pie.h
Pv 2,337 kPa 48,81 lbf/pie2
2. Columna totalDe la Ec. 3.24
( )( )
( ) ( oisdsdSd
Total hfhfhfhfheheRD
PPH +++++
=
81,9 )
2.1 Lado de la succin
- Columna esttica hes= 7 m
- Columna de presinPs= 101,33 kPa (1 atm.)
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 27
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
32/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 27
254,3
D
Q=V
Q = 20 m3/h y D = 5,25 cm
Reemplazando valores se tiene: V2= 2,57 m/s
Tomando D1/D2=
De la tabla 3.2 se tiene K= 0,47
Luego :
hfi= (0,47 x2,572)/(2 x9,81) = 0,16 m
Tubera recta y accesorios:
La prdida de presin por friccin en la tubera recta y accesorios es funcin delfactor de friccin de Fanning, y este a su vez es funcin del nmero de Reynolds
Dv
N =Re
D= 5,25 x10-2mV= 2,57 m/s= 103kg/m3= 10-3Pa.s (kg . m/s)
Luego reemplazando valores se tiene,NRe= 134925>4000
De la ecuacin de P.K. Swamee y A.K. Jain
f =2
9,0Re
74,5
)/(7,3
1log
25,0
+
ND
De la Tabla 3.1 = 4,6 x10 5m = 0,046 mm
Rugosidad relativa D/ =21025,5
= 1141
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 28
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
33/191
, p y p Q
a) Tubera recta
cgV
DLfh
2
2
=
Reemplazando valores se tiene
81,92
57,2
1025,5
400213,0
2
21
=
shf = 5,46 m
b) Accesorios
c
isg
VKhf
2
2
2=
Accesorios Ki CantidadCodos estndar 0,35 4Vlvula de compuerta abierta 0,17 1
Luego
hfs2= (4 x0,35 + 0,17 )81,92
)57,2( 2
= 0,53 m
hfs= 5,46 + 0,53 = 5,99 m
2.2 Lado de la descarga- Columna esttica hed= 20 m
- Columna de presinPs= P man + P atm.
Ps = 137,9 kPa + 101,33 kPa (1 atm.) = 239,23 kPa
==)(81,9
_
RD
PPs 239,23/9,81(1) = 24,39 m
- Columna de friccin
hfd= hfo+ hfd
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 29
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
34/191
Tubera recta y accesorios:
El nmero de Reynolds es el mismo del lado de la succin por ser el mismocaudal y el mismo dimetro de tubera; as mismo, el factor de friccin deFanning, es igual al de la succin por ser el material del tubo el mismo. Sihubiese variacin de alguna de estas variables se deben calcular los nuevosvalores. Luego:
a) Tubera recta
c
dgV
DLfhf
2
2
1 =
Reemplazando valores se tiene
81,92
57,2
1025,5
600213,0
2
21
=
dhf = 8,19 m
b) Accesorios
c
idg
VKhf
2
2
2=
Accesorios Ki Cantidad
Codos estndar 0,35 2
T usada como L 1,00 2Luego
hfs2= (2 x0,35 + 2 x1)81,92
)57,2( 2
= 0,91 m
hfs= 8,19 + 0,91 = 9,10 m
H= 20 7 + 0,16 + 5,99 + 0,31 + 9,10 + 24,39 10,33 = 42.62 m
Usando vlvula de control
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 30
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
35/191
3. Potencia desarrollada por la bomba o caballaje de liquido
De la Ec. 3.28
51067,3 = HQkW
kW = 53
1067,3102062,47
= 2,61 kW
4. (CSPN)Acolumna de succin positiva neta disponibleDe la Ec.: 3. 33 para una instalacin nueva (diseo)
(CSPN)A= hes + Ps hfs p
(CSPN)A= 7 + 10,33 (0,16 + 5,99) )1(81,9
337,2= 10,94 m
5. Uso de UNTSIM
Este problema puede resolverse uando el simulador UNTSIM, para lo cual sedebe seleccionar del Men Principal: Calculos de Ingeniera Qumica Diseo deequipo Bombeo de liquidos Bombas centrifugas.
Al correr el programa se encuentra la misma solucion.
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 31
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
36/191
CAPITULO
4
SELECCIN DEL TIPO DE BOMBA
La bomba es uno de los artefactos mas viejos conocidos por la humanidad y es elsegundo en nmero en ser usado despus del motor de induccin de jaula de ardilla.Con una larga historia y extenso uso, la bomba ha estado sujeta a sustancialesinnovaciones, lo cual ha dado como resultado que actualmente estn disponibles ennumerosos tipos. Para ordenar razonablemente loa muchos tipos "The HydraulicInstitute" ha publicado una carta de clasificacin de los tipos de bombas; Fig. 4.1.
An con una carta de clasificacin como ayuda, la seleccin del tipo de bombamas apropiado para un servicio particular puede ser una tarea difcil.
Un proceso de seleccin requiere una secuencia de decisiones hechasordenadamente. La secuencia adoptada por esta obre es mostrada en la Fig. 4.2.
La nica razn para emplear una bomba es la de adicionar energa a una corrientede liquido. Dado esto, la primera seleccin debera basarse en la carga hidrulica. Otrasconsideraciones pueden dictar modificaciones a la seleccin hidrulica. La carga
hidrulica determinada de datos del proceso en el captulo 3 es el total para el sistema.La carga hidrulica debe ser suministrada por la bomba, siendo el caso ms simplecuando una sola bomba es usada para la carga total, denominada "capacidad total " de la
bomba.La reparticin del flujo entre dos o ms bombas operando en paralelo se justificacuando:
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 32
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
37/191
Acoplamiento
Suspendida cerradoAcoplamiento
separadoSimple
Centrfugas Entre etapaConexin Doble
etapaDifusor Turbina verticalVertical Impulsor
CinticasSimple etapa
Turbina Suspendida Mltiple etapaRegenerativa
Entre Simple etapaConexin Mltiple etapa
Efectos Centrifuga reversible
Especiales Casco rotatorioBombas
Simple o dobleA vapor accin
A pistn o mboloSimplex o dplex
Horizontal o vertical
Potencia Simple o dobleaccin
Reciprocante Pistn o mboloSimplex o mltiplex
Desplaza- Simple accinmiento Diafragma Simplex o mltiplex
Diafragma cilndrico
o planoEn estator
Aspas En rotorAxial
Pistn RadialTubo
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 33
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
38/191
De la Fig. 4.2 se nota que la primera seleccin est entre una bomba "cintica" ode "desplazamiento". La diferencia est en la accin del bombeo. En las bombas
cinticas el liquido adquiere energa al ser acelerado a alta velocidad, luego la mayorcantidad de energa de velocidad es convertida a presin, as, la velocidad esreducida a un valor manejable.
Las bombas de "desplazamiento" tienen una accin diferente; ellas solamente"capturan" un volumen de liquido y lo mueven hacia el proceso, a velocidadesmanejables
CARGA HIDRAULICA
(COLUMNA TOTAL: SISTEMA)
NUMERO DE BOMBAS
CARGA HIDRAULICA(CLASE DE BOMBA)
CINETICA DE DESPLAZAMIENTO
REGULACION DE FLUJO ALTA
BAJA
VISCOSIDAD MEDIANA Y ALTA
BAJA
COSTO DE ENERGIA ALTO
BAJO
ESPECIFICAR EL TIPO CARGA HIDRAULICAPARA EL SERVICIO
ROTATORIA RECIPROCANTE
BAJA VISCOSIDADY ALTA PRESION SI
NO
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 34
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
39/191
La Fig. 4.3 muestra los limites aproximados de presin y capacidad para losdos tipos de bombas sin considerar las regulaciones del flujo y caractersticas del
liquido como se muestra en la Fig. 4.2.
Capacidad, m3/h1 10 100 1000 10000
100000
100010000 RECIPROCANTE
CENTRIFUGA
1001000
ROTATORIA
10100
110
Presinlb/pulg2
Presinbar
1 10 100 1000 10000 100000
Capacidad U. S. GAL/min.
Fig. 4.3 Lmites superiores aproximados de presin y capacidadpara las clases de bombas.
Debido a la naturaleza de su accin de bombeo, las bombas cinticas y de
desplazamiento tienen marcadas diferencias en las regulaciones de flujo. La energaadicionada por las bombas cinticas vara con el flujo, de ah que su regulacin de flujosea deficiente (el flujo vara mucho con la resistencia del sistema). En las bombas dedesplazamiento la energa adicionada depende de la resistencia del sistema en tanto queel flujo permanece prcticamente constante. Por lo tanto la regulacin de flujo es muyalta
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 35
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
40/191
CINETICAS DESPLAZAMIENTO
ENERGIA A VELOCIDADADICIONADA CONSTANTE
FLUJOFig. 4.4 Regulacin de flujo de bomba cintica vs. De desplazamiento
Dentro del grupo de bombas de desplazamiento, la seleccin para una cargahidrulica est dada por la Fig. 4.3 en la cual ambas bombas, rotatoria y reciprocanteson admitidas, la eleccin est sujeta a dos limitaciones generales.
Las bombas rotatorias inherentemente no tienen espacio libre entre sus engranespor lo que a medida que la viscosidad del liquido disminuye, se deteriora debido a lafalta de lubricacin. Cuando el liquido bombeado tiene baja viscosidad (o es pocolubricante) y la presin diferencial es alta, es mas adecuada una bomba reciprocante (se
puede tomar un lmite de 100 SSU de viscosidad).El diseo de las bombas rotatorias tiene poca tolerancia para la presencia de
slidos abrasivos en el liquido bombeado, se prefiere las bombas reciprocantes para loscasos cuando lquidos conteniendo slidos abrasivos se deben bombear a presionesmayores a 250-300 lbf/pulg
2.
Ejemplo 4.1Seleccionar el tipo de bomba para el sistema de bombeo dado en el ejemplo 3.1
Solucin
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 36
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
41/191
CAPITULO
5
BOMBAS CENTRIFUGAS
5.1. CONFIGURACIN BSICA
El tipo ms simple de bomba centrifuga es la maquina de simple etapa, la cualconsiste fundamentalmente de un elemento rotatorio, denominado impulsor, y un casco.El liquido es llevado al centro del impulsor y puesto en rotacin por las aspas delimpulsor. Debido a la fuerza centrifuga el liquido es lanzado del borde o periferia delimpulsor con una considerable velocidad y presin. El casco, el cual encierra alimpulsor, tiene una voluta formando un pasaje cuya rea de seccin transversal vaaumentando y la cual recoge al liquido que sale del impulsor y convierte una porcin desu energa de velocidad en energa de presin. Este pasaje del casco conduce a laconexin de descarga de la bomba a la tubera que forma el sistema.
DIFUSOR
INCREMENTOCONSTANTE
DE AREA CASCO
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 37
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
42/191
La Fig. 5.1 muestra algunas partes bsicas de una bomba centrifuga, las cualesson:
Impulsor.- imparte energa al liquido por la accin de sus aspas; es el nicocomponente de la bomba que suministra energa al liquido. Difusor.- porcin de tubera que recoge al liquido que sale del impulsor, el
mismo que an conserva alta velocidad y puede dar alta friccin, pero debidoal aumento en el dimetro de esta porcin de tubera (difusor) se reduce lavelocidad del liquido (y la friccin).
Inductor.- (opcional), elevador de columna, proporciona la CSPN requeridapor el impulsor.
Espacio libre.- disminuye la fuga de liquido de alta energa a la entrada delimpulsor.
Casco.- gua al liquido hacia el impulsor; recoge al liquido del impulsor yreduce su velocidad transformando parte de ella en presin o columna
Cubierta.- cubre al casco; sostiene a los cojinetes. Empaquetaduras.- evitan las fugas de liquido. Eje.- mueve y sostiene al impulsor.
Cojinetes.- soportan al rotor (adems del impulsor y eje).
5.2. CARACTERSTICAS DE OPERACIN
Sin duda, la parte ms importante de nuestra discusin sobre bombas centrfugases el uso de las curvas de operacin. Una tpica caracterstica de operacin de bombascentrfugas se muestra en la Fig. 5.2. la columna total (energa suministrada), potencia
absorbida (para una SG particular) y la CSPNR(energa neta requerida a la entrada) sonploteadas en funcin del flujo.
SIN FLUJOCOLUMNA TOTAL - Q
HBEP
BHPBHP
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 38
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
43/191
flujo el punto de mxima eficiencia (BEP) e indicar el rango de operacin ms efectivode la bomba.
5.2.1 Columna Capacidad
Toda bomba centrfuga tiene, para una velocidad particular y un dimetroparticular de impulsor cuando manipula un liquido de variacin de viscosidaddespreciable, una curva de operacin, la cual indica la relacin entre la columna (o
presin) desarrollada por la bomba, y el flujo a travs de la bomba. La curva que se
muestra en la Fig. 5.2, es un ejemplo tpico. Como podemos ver, a medida que lacapacidad aumente, la columna total que es capaz de desarrollar la bomba se reduce. Engeneral la columna ms alta que es capaz de desarrollar una bomba centrfuga es a un
punto donde no hay flujo a travs de la bomba; esto es cuando la vlvula de descargaest completamente cerrada. Recordar que estas curvas de operacin estn basadas euna velocidad, dimetro de impulsor y viscosidad particulares. En general, la viscosidada la cual se dan las curvas caractersticas es la viscosidad del agua a 25 oC.
5.2.2 BHP (Potencia suministrada) Capacidad
Para operar a la capacidad deseada, encontramos que debemos suministrar ciertaenerga a la bomba (potencia suministrada o BHP). Entonces, podemos graficar unacurva representando la relacin entre la capacidad y la potencia suministrada,nuevamente basada en los factores constantes previamente definidos. Para bombas
centrfugas generalmente la potencia suministrada incrementa con un incremento en lacapacidad.
5.2.3 Eficiencia debe ser calculada
Las dos caractersticas que han sido graficadas hasta este punto son determinadasexaminando una bomba actual. Ahora veremos lo concerniente a la eficiencia a la cualopera la bomba. La eficiencia no podemos medirla directamente, sino que debemoscalcularla de la informacin que hemos obtenido. La eficiencia se evala a partir de laEc. 3.30.
A partir de esta Ec., puede determinarse la eficiencia a la cual est operando labomba para una determinada capacidad y puede graficarse
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 39
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
44/191
5.3. VELOCIDAD ESPECFICA
Las bombas centrfugas son producidas en un amplio rango de diseoshidrulicos. Para categorizar estos diseos se usan dos conceptos. El primero de estos esla velocidad especfica, designada comoNS.
Derivado a partir de condiciones similares, la velocidad especfica es un nmeroque ampliamente define la geometra del impulsor y la operacin de una bombacentrfuga, independiente de su tamao. La ecuacin es
NS= 75,0
5,0
H
QN (5.1)
donde N= RPMQ= caudal total
H= columna desarrollada
En su forma original, NS, fue adimensional, pero el uso convencional de las
unidades convenientes requiere que las unidades sean identificadas (ya sea gal/min ypies o m3/h y m).NSse calcula a partir de la operacin al BEP (mxima eficiencia) conimpulsor de dimetro mximo (para bombas de succin simple, Qes el flujo total; paradoble succin es la mitad).
La velocidad especfica puede definirse como las revoluciones por minuto a lascuales impulsores geomtricamente similares podran girar para dar una descarga de 1gal/min contra una columna de un pie. La variacin de la geometra del impulsor con lavelocidad especfica se muestra en la Fig.5.3. La geometra de un impulsor vara en elsentido de su altura y sus caractersticas de potencia, y consecuentemente en sueficiencia. La Fig. 5.4 muestra coma varan las caractersticas de operacin. La Fig. 5.6,de Fraser y Sabini, da valores de la eficiencia mxima para bombas de diferentesvelocidades especficas y capacidades.
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 40
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
45/191
Fig. 5.4 Variacin de las curvas caractersticas con la velocidad especifica
Las caractersticas de potencia cambian de positivo (la potencia se incrementa conel flujo) a negativo a medida que se incrementa la velocidad especfica. Debido a quelas caractersticas de potencia cambian su inclinacin, es pequeo el rango develocidades especficas can las caractersticas de potencia mximas en la regin de
BEP. Tal caracterstica es conocida como no sobrecargadaLas caractersticas tpicas de potencia y columna son consistentes con la eficienciaobtenible. Son posibles otras caractersticas, pero generalmente a expensas de laeficiencia. Como un ejemplo, el aumento constante de la columna y no sobrecarga,doscaractersticas de seguridad, pueden darse fuera de loa rangos usados. Para haceresto, sin embargo, el impulsor debe ser mas largo que el normal, lo cual aumenta las
prdidas de potencia debido a la friccin y baja eficiencia.Calculando la velocidad especfica para una carga particular, asumiendo
operacin a BEP, da indicio de la posibilidad de una bomba centrfuga para la carga ypermite un estimado de su potencia.
5.4. VELOCIDAD ESPECFICA DE SUCCIN
Es un trmino aplicable a las limitaciones de succin y se deriva de la siguientemanera:
De la definicin de velocidad especfica,
NS= 75,0
5,0
H
QN (5.1)
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 41
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
46/191
4/1
2/1
4/1
4/1 1
)(
)(
H
NQ
SH
CSPN=
y
S=75,0
5,0
)(NPSH
QN (5.2)
donde S= RPMQ= caudal total
NPS H= columna de succin positiva neta, columna requerida para operacin sin
Cavitacin denominada tambin CSPNR
La magnitud de la velocidad especfica de succin es un ndice de la posibilidadde la bomba para operar sin cavitacin. La mayora de operaciones de bombas se basanen una velocidad especfica de succin de 8500 tanto para impulsores de simple y doblesuccin.
5.5. VELOCIDAD DE ROTACIN
La mayora de bombas en el rango de 3000 gpm y columnas de alrededor de 300pies, son diseadas para operar entre 1750 a 3500 rpm. Por debajo de los 60 pies decolumna generalmente no son prcticas las bombas de 3500 rpm debido al dimetro delimpulsor muy pequeo que debera usarse.
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 42
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
47/191
De manera similar por sobre 150 pies de columna, se debe usar no menos de 1750rpm debido a que debe usarse grandes dimetros. Grandes dimetros necesitan grandes
cascos lo cual aumenta el costo de la bomba. Entonces, generalmente encontramos quelas bombas se disean para columnas bajo los 60 pies para girar a 1750 rpm o menos;para 60 a 150 pies una velocidad en el rango de 1750 a 3500 rpm, y sobre los 150 piesla mayora de bombas se disean para girar a 3500 rpm.
La Fig. 5.5 puede usarse para determinar la velocidad de rotacin como funcindel caudal y la columna:
La mayora de sistemas de bombeo trabajan a una velocidad especifica de 1200,por lo cual puede usarse la Fig. 5.6 para determinar la velocidad de rotacin en funcin
del caudal y la columna.
Capacidad, GPM50 60 80 100 150 200 300 400 600 800 1000 2000 4000
400
300
200
150
100
80
60
50
40
30
Columna,piesdeliquido
Velocidad especifica 400 600 800 1000 2000 4000
3550 RPM
2950 RPM
1770 RPM
1450 RPM
1150 RPM
970 RPM
Fig. 5.6 velocidad de rotacin como funcin de la velocidad especfica
Al usar la Fig. 5.6, se debe buscar una velocidad de rotacin en funcin del caudaly la columna que de una velocidad especfica de alrededor de 1200
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 43
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
48/191
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 44
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
49/191
Ejemplo 5.1
Determinar la velocidad de rotacin para la bomba centrfuga del Ejemplo 4.1
Solucin
De los clculos realizados en el Ejemplo 3.1 se tiene
Caudal manipulado, Q= 20 m3/h (88 gpm)Columna total, H = 47,68 m (156.39 pies) = 67.70 lbf/pulg
2
Columna de succin positiva neta disponible, (CSPN)A = 0,62 m = 2,03 pies
a) Usando la Fig. 5.5, para Q= 88 gpm yH= 156,9 podemos usar una bomba conuna velocidad de rotacin de 3500 RPM
b) Usando la Fig. 5.6, para Q= 88 gpm yH= 156,9 debemos usar una bomba conuna velocidad de rotacin de 3550 RPM
c) Usando la Fig. 5.7, para una (CSPN)A = 0,62 m = 2,03 pies y Q= 88 gpm sedebe usar una bomba a una velocidad de rotacin de 1800 RPM
A la velocidad de 1800 RPM y con una (CSPN)A = 2,03 pies no se producecavitacin
Si usamos una velocidad de 3500 RPM, segn esta grfica podra producirse
cavitacin por lo que debemos usar una (CSPN)A, de 5,5 pies. En este caso sedebe modificar el sistema par tener la (CSPN)A, adecuada.
5.6. EFICIENCIA DE LA BOMBA
La eficiencia es un dato del fabricante dado en las caractersticas de operacin dela bomba.
Para procesos en operacin, la eficiencia se evala a partir de la Ec. 3.30.midiendo la energa consumida (suministrada a la bomba o BHP) y calculando laenerga neta necesaria para el bombeo o caballaje de liquido (LHP)
Para estimados preliminares se puede estimar la eficiencia en funcin de lavelocidad especfica y el caudal segn se muestra en la Fig 5 8 con lo cual se puede
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 45
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
50/191
Fig. 5.8 Eficiencia de una bomba centrifuga
Caudal manipulado, Q= 88 gpmColumna total, H = 156 piesVelocidad de rotacin,N= 3500 RPM
Velocidad especifica,NS= 4;3H
QN=
4/3156
883500= 743
De la Fig. 5.8 Eficiencia, = 55 %
5.7. POTENCIA SUMINISTRADA
Las bombas centrfugas pueden operar con turbina a vapor o con motor elctrico.
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 46
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
51/191
Potencia suministrada = potencia que el motor o turbina debe suministrar a labomba, kW en el SI (HP en el sistema ingls
denominndose tambin caballaje de freno o BHP)Eficiencia de la bomba = o eficiencia mecnica de la bomba es dato delfabricante o estimado de acuerdo a la Fig. 5.8
Ejemplo 5.3
Calcular el consumo de energa para el sistema de bombeo dado en el Ejemplo 3.1
operando con la bomba seleccionada en los Ejemplos 4,1; 5.1 y 5.2
Solucin
Del Ejemplo 3.1
Potencia desarrollada, = 2.61 kW
Del Ejemplo 4.1Se selecciona una Bomba Centrfuga
Del Ejemplo 5.1
Velocidad de rotacin de la bomba = 3500 RPM
Del Ejemplo 5.2Eficiencia de la Bomba = 55 %
De la Ec. 5.3
Potencia Suministrada =55,0
61,2= 4,75 kW
5.8. ENERGA NECESARIA PARA EL BOMBEO
El consumo total de energa para el bombeo depende de la eficiencia de la bombay la eficiencia del motor o turbina al que esta acoplada; siendo as la energa necesaria
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 47
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
52/191
1
2
1
2
N
N
Q
Q= (5.5)
2
1
2
1
2
=
N
N
H
H (5.6)
3
1
2
1
2
=
N
N
BHP
BHP (5.7)
Nota: Cambiando la velocidad y manteniendo constante el dimetro del impulsor, laeficiencia de la bomba permanece igual pero varan la H, Q y potencia suministrada(BHP)
H
BHP
H vs Q
vs
BHP vs Q
N2>N1
N2>N1
N2
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
53/191
(a) (b)
Fig. 5.10 Reduccin del dimetro de impulsor; (a) Curvas caractersticas,(b) Configuracin del dimetro
Ejemplo 5.4 Cambio en la velocidad de rotacin
Una bomba centrfuga opera a una velocidad de 1800 RPM presentando las siguientescaractersticas
N= 1800 RPMQ: gpm H: pies BHP: Hp : %
4000 157,0 189,5 83,7
3000 200,5 174,5 87,02000 221,0 142,3 78,41000 228,0 107,0 54,0
Se desean obtener las caractersticas de operacin para esta bomba a una velocidad de
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 49
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
54/191
H2= H1
2
1
2
N
N= 157
2
1800
1600
= 124 pies
BHP2= BHP1
3
1
2
N
N = 189,7
2
1800
1600
= 133 Hp
Siguiendo el clculo se tiene una nueva tabla con otros valores que correspondena la situacin 2, los mismos que se grafican en la Fig. 5.11
N2= 1600 RPMQ2: gpm H2: pies BHP2: Hp : %
3556 124,0 133,0 83,72667 158,0 122,5 87,01777 174,6 100,5 78,4890 180,6 79,2 54,0
Fig. 5.11Cambio en la velocidad de rotacin
5.10. CURVAS DEL SISTEMA
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 50
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
55/191
BHP
Fig. 5.12 Curvas caractersticas del sistema y de la bomba
Ejemplo 5.5 Diseo de punto de operacin
Para un proceso definido, se desea suministrar 350 gpm de acetaldehdo a 15 0Ccon una columna de 388 pies. Se dispone de una bomba de turbina regenerativa cuyascaractersticas de operacin con acetaldehdo son
Operacin aN= 3450 RPMQ: gpm H: pies : %
0 755 070 665 10
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 51
S l i
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
56/191
Solucin
Fig. 5.13 Operacin de la bomba del Ej. 5.5
1. La bomba no satisface la operacin, porque manipulando un caudal Q= 350 gpm,solamente desarrolla una columna H= 375 pies, lo cual es menor que la resistencia(columna) del sistema de 388 pies.
2. Debemos modificar el dimetro o la velocidad para que la bomba pueda desarrollarla columna pedida. En este caso modificamos la velocidad manteniendo el caudal
constante.
Si N2/N1= 1,05
Q1 N2/N1 Q2 H1 (N2/N1)2 H2
280 1,05 294 430 1,1025 474,1350 1,05 367,5 375 1,1025 413,4420 1,05 441 320 1,1025 352,8
Para Q2= 350 gpm, H2= 427 pies
Si N2/N1= 1,02
Q N /N Q H (N /N )2 H
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 52
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
57/191
Fig. 5.14 Evaluacin de la nueva velocidad de rotacin
Evaluando grficamente N2a caudal constante se tiene,N2/N1= 1,013
Luego N2= 3450 (1,013) = 3495 RPM
3. BHP1=3960
11
sHQ=
47,03960
7,0375350
= 49,4 Hp
BHP2= BHP1
3
1
2
N
N = 49,4(1,013)
3= 51.35 Hp
5.12. EFECTO DE LAS PROPIEDADES FSICAS DEL FLUIDO
Las propiedades fsicas del fluido que influyen en el bombeo con bombascentrfugas son la densidad (o peso especfico), presin de vapor y viscosidad.
) D id d ( ifi d id d l ti ) I fl b l t i i
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 53
Se han hecho considerables esfuerzos para determinar el efecto de la
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
58/191
Se han hecho considerables esfuerzos para determinar el efecto de laviscosidad sobre la operacin de bombas centrfugas, y el Hydraulic InstituteStandards proporciona cartas que pueden usarse para predecir la operacin de
bombas manipulando lquidos de diferentes viscosidades a partir del conocimientode la operacin de la bomba manipulando agua. La Fig. 5.15, muestra el efecto dediferentes rangos de viscosidades desde 32 SSU (que corresponde al agua) hasta4000 SSU. An cuando la bomba tenga una eficiencia de 76 % (en el punto demxima eficiencia, BEP) cuando manipula agua, la eficiencia de la bomba sereduce a cerca de 20 % cuando manipula lquidos con viscosidad de 4000 SSU.
Obviamente debe hacerse una evaluacin entre bombas centrfugas y bombas
de desplazamiento para tomar una decisin justificable desde el punto de vista de laeconoma. Pero como una regla general es que el limite superior para usar bombascentrfugas es 2000 SSU.
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 54
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
59/191
Fig. 5.16 Factores de correccin debido a la viscosidad para caudales bajos
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 55
3 Los nuevos valores de la bomba operando con liquido viscoso son:
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
60/191
3. Los nuevos valores de la bomba operando con liquido viscoso son:
Q2= C
QQ
1
H2= CHH1 (4 valores)2= CE1
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 56
Limitaciones:
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
61/191
Limitaciones:a) Solo aplicable a bombas centrfugas de voluta
b) Solo con fluidos Newtonianosc) De preferencia para bombas con una sola etapa. Cuando se trata de mltiple
etapa se debe tomar la columna por cada etapa
Viscosidad cinemtica K=s
en centistoke o SSU
Ejemplo 5.6 Influencia de la viscosidad
Una bomba centrfuga opera con agua y posee las siguientes caractersticas
BOMBA CON H2OQ: GPM H: pies : % BHP: Hp
0 135 0 040 133 34 4,280 130 50 5,4
120 127 63 6,0160 122 70 7,0200 115 75 7,6240 104 77,5 8,2280 92 75 8,8
320 79 66 5,2360 47 45 5,2
Se desea emplear esta bomba para manejar un liquido que tiene una viscosidad de925 cp (centipoises) con uns = 1,4 a razn de 160 gpm.
Qu columna desarrollar la bomba con el fluido viscoso y que caballaje de freno
requerir?
Solucin
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 57
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
62/191
Fig. 5.18 Datos del problema 5.6
2. Lectura de los factores de correccin usando la correlacin dada por la Fig. 5,17
= 600 Cs
= 77,5 %
4,1
925=K
mx
Q = 240 gpmNValores ledos
C = 0,27EC = 0,71Q
Para 0,6 QN= 144; H= 124; = 67; CH= 0,840,8 QN= 192; H= 116; = 74; CH= 0,801,0 QN= 240; H= 104; = 777,5; CH= 0,7751 2 Q = 288; H = 88 ; = 74; C = 0 73
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 58
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
63/191
De la Fig. 5.18 para Q2= 160 gpm se tieneH2= 85 pies y 2= 20,8 %
BHP2=2
22
3960
sHQ=
208,03960
4,185
160
= 23,1 Hp
5.13. APLICACIONES DE LAS BOMBAS CENTRFUGAS
Para una aplicacin en procesos
1. Bomba continua general.-De voluta (impulsor incorporado); de mayor aplicacinDe turbina regenerativa (fluidos calientes, mezcla de gases y lquidos)
2. Bomba continua general.-a) Bombas en serie
QH1 H2
H3
B - 1 B - 2
P1 P2P3
- Si las bombas son diferentes, entonces:Qes el caudal de la bomba ms pequeaH3= H1+ H2 se pueden combinar de acuerdo a la conveniencia de laoperacin
- Si las bombas son idnticasQ = Q1= Q2
H3= 2H1= 2H2
b) Bombas en paralelo
Q
Q1
P1
P2
H2
Dos bombasidnticas en serie
2 bombas enparalelo
H
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 59
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
64/191
CAPITULO
6
BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO
Son mquinas que desarrollan presin transportando lquidos en trayectoriadefinida en una sola direccin
6.1 BOMBA ROTATORIA
Pueden suministrar presin por suministro de lquidos. Usan impulsores paratrasladar los lquidos (en una sola direccin). Sirven para crear vaco.
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 60
6.1.1 Caractersticas
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
65/191
Manejan el mismo volumen independiente de la presin en la descarga ( Q:constante), para tener Q= 0, se debe hacer N = 0
El caballaje de freno (BHP) vara con la presin y con la velocidad de rotacinLa presin de descarga es funcin de la velocidad rotacionalCuandoNyPson constantes, elBHPvara con la viscosidadLa eficiencia es relativamente alta (= 80 a 85 %)Las curvas caractersticas son completamente diferentes a las de las bombas
centrfugas
(a) (b)
QT- P QT
Qa
- P
BHP - P
s
P
BHP
Q
Ps Pd
Fig. 6.3 (a) Curvas caractersticas; (b) smbolo convencionalde la bomba rotatoria
s = QT Qa (6.1)
s= deslizamiento (slip)es la fuga de liquido por las vlvulas internas(varia entre s = 0,01 0,05)
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 61
6.1.2 Tipos de bomba rotatoria
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
66/191
De engrane externo (s= 0,05)De engrane interno (s= 0,01)De tornilloDe lbuloDe aspas
6.1.3 Caballaje (potencia): BHP
BHP=1715
)( sda PPQ ; Hp (6.4)
= eficiencia mecnica vara entre 80 85 % (lquidos con = 10 a 15 000 SSU)
6.1.4 Aplicaciones
Ventajas:- Producen altas elevaciones de presin (si el CSPN es negativo la bomba rotatoria
reemplaza a la bomba centrfuga)- No necesitan acondicionamiento inicial- Manejan lquidos muy viscosos (hasta 15000 SSU: grasas, aceites, etc); el agua
potable tiene aproximadamente 65 SSU.
- Operan en un amplio rango de velocidad rotacionalN- Permiten obtener en su operacin: bajo Q altaH(altas presiones)
alto Q altaH(altas presiones)
Desventajas:- No aceptan descargas cerradas (Q= 0), es necesario proteccin mediante un by
pass de lo contrario la bomba se deteriora.
- Exigen el uso de motores con velocidad variable- Para su funcionamiento necesitan vlvulas internas- No se puede usar con lquidos que tengan slidos
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 62
6.2 BOMBA RECIPROCANTE
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
67/191
Son mquinas que suministran presin a un liquido por accin de un pistn oembolo en un cilindro
Ps
Pd
L
Fig. 6.5 Bomba reciprocante (simples de doble accin)
6.2.1 Tipos
1. Molinos de viento2. Bomba a vapor3. Bombas de potencia para procesos, las cuales pueden ser:
Segn el impulsor:a) a pistn
b) a mboloPor la accin:a) simple accin
b) doble accinPor el nmero de cilindros:
a) simples: 1 cilindrob) duplex: 2 cilindrosc) multiplex: N cilindros
Por la posicin:a) horizontal
b) vertical
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 63
0,5 si es de simple accin1 0 si es de doble accin
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
68/191
1,0 si es de doble accin.Z= compensacin por espacio ocupado por la varilla
Z= 0 para simple accinPara doble accin se puede estimar de:
Z= 0,020 dv2P C (6.6)
dv= dimetro de la varilla: pulg
2. Caudal actual: Qa
Qa= QTEv (6.7)
Ev= eficiencia volumtrica; Ev= 1 ss= inferior al 10 % (s= 0,03 ms comn)
3. Velocidad del pistn =6
))(( sN= pies/min.
N = RPMs = Longitud del desplazamiento del pistn, pies (dato del fabricante)
4. Caballaje de liquido:LHP
LHP=
1715
)( sda PPQ : Hp
Ps= presin de succin, psiPd= presin de descarga, psi
5. Eficiencia mecnica:
=f (L, P, P)
L= longitud de la carreraP= velocidad del pistnP = Pd- Ps
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 64
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
69/191
Fig. 6.6 Curvas caractersticas de bomba reciprocante
6.2.3 Aplicaciones
Ventajas- Desarrollan las ms altas presiones en procesos (P> 20 000 psi), la de mbolo es
la que da ms alta presin.- Manejan lquidos muy voltiles a caudales constantes (gasolina, ter, aldehdos).
- Manejan lquidos con gases disueltos.- Pueden manejar caudales muy pequeos (Q= 0,15 gal/h = 0,0025 gpm)- Pueden dar bajo caudal y muy alta columna o presin
Desventajas- Los lquidos manejados deben ser limpios (no tengan slidos en suspensin ni sean
corrosivos)
- Requieren vlvulas internas que exigen mantenimiento cuidadoso- Requieren motor de velocidad (N)variable- No aceptan descargas cerradas (Q = 0) exigen proteccin igual que las bombas
rotatorias (mediante by pass).
Ejemplo 6.1 Diseo de sistema de bombeo con bombas de desplazamiento positivo
Se quiere manejar un fluido cuya viscosidad = 925 cp a razn de 48 gpm para locual se ha encontrado una columna total de 200 pies
Determinar el tipo de bomba a usar y el caballaje de freno (BHP)requerido, si lapresin de succin es 7,73 psi
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 65
C= 1F = 0,5 (simple accin)
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
70/191
F 0,5 (simple accin)Z= 0 (simple accin)
Tambin de: EV= 1 s (donde s= 5 %)
EV= 0,95 = 95 %
BHP=1715
))()(0408,0( 2 sdV PPEZPCFD
= 85 % (lquidos viscosos)
BHP=)85,0(1715
)73,760)(95,0](05,0175)75,5(0408,0[ 2
BHP= 1,72 Hp
Tambin
BHP=)85,0(1715
)73,760(48
1715
)( =
sda PPQ = 1,72 Hp
6.3 BOMBAS MISCELNEAS
6.3.1 Bomba peristltica
Consta de una tubera flexible la cual captura al liquido mediante la accin de unrodillo como muestra la Fig. 6.7. Se usa para manipular fluidos en pequeas cantidades,a bajas presiones y manteniendo una limpieza constante.
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 66
6.3.2 Bomba de diafragma
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
71/191
Manejan lquidos y lodos con slidos corrosivos a altas presiones
Fig. 6.8 Bomba de diafragma
6.3.3 Bomba de excntrica
j fl id ( i ) l li i i ( l
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 67
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
72/191
CAPITULO
7
EQUIPO PARA BOMBEO DE GASES
Los ventiladores, sopladores y compresores se utilizan para incrementar la presiny generar el flujo de aire y otros gases en un sistema de flujo de gas. Su funcin essimilar a la de las bombas en un sistema de flujo de liquido. Algunos de los principios
para el flujo de lquidos y la aplicacin de las bombas pueden aplicarse tambin en elflujo de gases. Sin embargo, la compresibilidad de los gases provoca algunasdiferencias importantes.
7.1 PRESIONES Y VELOCIDADES DE FLUJO DE GAS
Cuando trabajamos con el Sistema Britnico de medidas, la velocidad de flujo deaire u otros gases se expresa con frecuencia en pies3/min, abreviado cfm. Lasvelocidades se reportan tpicamente en pies/min. Aunque estas no son las unidadesestndar en el Sistema Britnico de Unidades, son adecuadas en el rango de los flujos
que tpicamente se encuentran en aplicaciones industriales, comerciales y residenciales.En el SI, las unidades que se utilizan con mayor frecuencia para medir velocidad
de flujo es el m3/s y para velocidad el m/s. Para sistemas que transportan relativamentebajas velocidades de flujo, con frecuencia se utiliza la unidad L/s. Las conversionescorrespondientes se enlistan a continuacin
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 68
equivalente puede derivarse de la relacin presin-elevacin, P = h. Si utilizamos= 62,4 lb/pie3para el agua, una presin de 1,00 pulg de H2O es equivalente a:
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
73/191
p p g p p g q
P = h=3
3
3 lg17281lg00,14,62
pu
piepu
pies
lb = 0,0361 lb/pulg2
Dicho de otra forma, 1,0 lb/pulg2= 27,7 pulg de H2O. En muchos sistemas deflujo de aire, las presiones involucradas son solamente de pocas pulgadas de agua o aunde fracciones de pulgada.
La unidad estndar SI de pascales (Pa) es en s misma muy pequea y se utiliza
directamente cuando se disea un sistema en unidades SI. Algunos factores deconversin tiles se listan a continuacin.
1,0 lb/pulg2= 6895 Pa1,0 pulg H2O = 248,8 Pa
7.2 CLASIFICACIN DE VENTILADORES SOPLADORES Y
COMPRESORES
Los ventiladores, sopladores y compresores se utilizan para aumentar la presindel aire y mover ste u otros gases. Las diferencias bsicas entre ellos se hallan en susformas y las presiones que pueden desarrollar gracias a ese diseo. Un ventilador sedisea para operar contra presiones estticas pequeas, hasta 2,0 lb/pulg2 (13,8 kPa).Pero las presiones tpicas de operacin para ventiladores son desde 0 hasta 6 pulg de
H2O (0,00 hasta 0,217 lb/pulg
2
o 0,00 hasta 1500 Pa). A presiones desde 2,0 lb/pulg
2
hasta aproximadamente 10,0 lb/pulg2 (69,0 kPa), el dispositivo que genera elmovimiento de gas se le llamasoplador. Para desarrollar altas presiones, tan altas comoalgunos miles de lb/pulg2, se utilizan compresores.
7.3 FLUJO DE AIRE COMPRIMIDO Y DE OTROS GASES
Muchas industrias utilizan aire comprimido en sistemas de alimentacin defluidos para proveer de potencia al equipo de produccin, a dispositivos para el manejode material, y a mquinas de automatizacin. Una presin de operacin comn paratales sistemas est en el rango de 60 hasta 125 lb/pulg2relativas (414 hasta 862 kPa detamao) El f ncionamiento la prod cti idad del eq ipo se degradan si la presin es
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 69
7.3.1 Densidad del aire
d id d l i d l di i d i d
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
74/191
La densidad para cualquiera de las condiciones de presin y temperatura pueden
calcularse de la ley de los gases ideales de la termodinmica la cual establece:
T
p
= constante =R (7.1)
donde:p= presin absoluta del gas= densidad del gasT= temperatura absoluta del gas, esto es, la temperatura arriba del cero absoluto
R= constante del gas para el gas en cuestin
Asimismo, la Ec. (7.1) puede resolverse para la densidad:
=RT
P (7.2)
7.3.2 Velocidades de flujo para lneas de aire comprimido
Los valores dados a equipo que se utiliza para comprimir aire y para compresoresque entregan aire se proporcionan en trminos de aire libre, llamados en algunasocasiones entrega de aire libre (fad). Esto proporciona la cantidad de aire entregada porunidad de tiempo suponiendo que el aire se encuentra a presin atmosfrica estndar
(14,7 lb/pulg2absolutas o 101,3 kPa absolutos) y a la temperatura estndar de 60 oF o15 oC (temperaturas absolutas de 520 oR o 285 K). Para determinar la velocidad de flujoen otras condiciones, se puede utilizar la siguiente ecuacin:
Va= Vs+s
a
aatm
satm
T
T
pp
p.
+ (7.3)
donde: Va= velocidad de flujo de volumen (caudal) en condiciones realesVs= velocidad de flujo de volumen (caudal) en condiciones estndar
patm-s= presin atmosfrica absoluta estndarpatm= presin atmosfrica absoluta real
Bombas, Compresores y Ventiladores para Procesos Qumicos 70
En unidades SI:
KtkP )273(3 +101
-
7/25/2019 MONCADA - Bombas Compresores y Ventiladores
75/191
Va= Vs+ K
Kt
pp
kPa
aatm 285
)273(
.
3. +
+
101
(7.5)
7.3.3 Seleccin del tamao de tubera
Se deben considerar muchos factores para especificar un tamao de tuberaadecuado para transportar aire comprimido en plantas industriales. Algunos de esos
factores y los parmetros involucrados se enuncian a continuacin.
Cada de presin. Debido a que las prdidas por friccin son proporcionales alcuadrado de la velocidad de flujo, es conveniente utilizar tamaos de tubera tangrandes como sea factible, para asegurar una presin adecuada en todos los puntos deuso en un sistema.
Requerimiento de potencia en el compresor. La potencia requerida para alimentar elcompresor se incrementa a medida que la cada de presin aumenta. Por lo tanto, esadecuado utilizar tuberas con mayor dimetro para minimizar la cada de presin.
Costo de tubera. Los costos de las tuberas con dimetros grandes son mayores. Costo de un compresor. En general, un compresor diseado para operar a una presin
mayor costar ms, lo que hace adecuado el uso de tuberas con dimetro grande paraminimizar la cada de presin.
Costos de instalacin. Las tuberas ms pequeas son ms fciles de manejar, aunqueste no es en general un factor importante.
Espacio requerido. Las tuberas pequeas requieren de un menor espacio yproporcionan menor interferencia con otro equipo u operaciones.
Tabla 7.1 Tamaos sugeridos para sistemas de tubera de aire comprimido
Velocidad de flujo mxima (cfm)