mecanicaf bombas

Bombas

ProfesorIng. Luis OrellanaCorreo: [email protected]

UNEFA Mecánica de Fluidos5to semestre de Ingeniería

Mecánica. Sección A

Delegada de la materiaBr. Isamar MaestreCorreo: [email protected]

Plan de Evaluación

Evaluaciones Porcentajes Puntaje Fechas

1er CorteInvestigación 5 1 22/10/2011

Taller en clases 10 2 22/10/2011

Examen 10 2 29/10/2011

2do CorteGuía de Ejercicios 5 1 19/11/2011


Examen 10 2 19/11/2011

3er CorteGuía de Ejercicios 5 1 17/12/2011


Examen 10 2 17/12/2011

4to CorteExamen 10 2 28/01/2012

Proyecto 15 3 04/02/2012

UNEFA Mecánica de Fluidos


Bombas

¿Qué sabemos acerca de las Bombas?, de seguro tienes una en tu casa y no te has detenido a pensar en como funciona, pues bien esta presentación es para ti. A continuación te muestro algunas que se utilizan frecuentemente.

Hay muchos tipos de bombas, de diferentes tamaños, de diferentes modelos y existen diferentes usos para ellas, pero el principio fundamental es transportar un fluido de un lugar a otro.


Bombas

Una bomba sirve para producir una ganancia en carga estática de un fluido procedente de una energía mecánica que se transmite en su eje por medio de un motor. (Artículo “Curso básico de sistemas de Bombeo”, sacado de internet)

Figura 1. Sistema de Flujo con bomba


De la figura 1 aplicamos la Ecuación de Bernoulli y me queda de la siguiente manera:

Es lo que hemos venido trabajando en clases, solo que multiplicado por g para poder expresarla en función de Potencia.

Las magnitudes que se encuentran entre paréntesis se llaman, cargas totales, donde una va a ser la carga total de succión y la otra la carga total de descarga.

22

22 UaZag

PaUbZbg

PbWb


Con frecuencia es conveniente representar la ecuación de Bernoulli en función de alturas por tanto la ecuación anterior queda de la siguiente manera:

g

UaZa

g

Pa

g

UbZb

g

PbHb 22

22

Bien ahora detallemos un poco algunos términos de esta ecuación:

P/ρg: es la Carga de Presión y representa la altura de fluido que produce la presión estática.U2/2g: es la carga de Velocidad y representa la elevación necesaria para que un fluido alcance la velocidad V durante una caída libre sin fricción, se acuerdan de la ecuación de la energía cinética.Z: representa la carga por elevación y representa la energía potencial del fluido.H: es la carga total del fluido que en este caso es la carga total de la bomba y es la diferencia de las cargas totales de succión y de descarga.


Eficiencia de Energía Mecánica

Una bomba o ventilador reciben trabajo y lo transfieren al fluido como energía mecánica. Por otro lado, una turbina convierte la energía mecánica de un fluido en trabajo.

Ningún equipo va a tener una eficiencia de 100%, pues este representaría el estado ideal de funcionamiento. Una eficiencia de menos de 100% indica que se ha presentado una pérdida en la transformación de esa energía mecánica.


icanegíaMecánEntradadeE

caegíaMecániSalidadeEnmecánica


Pérdidas en la entrada y en la salida

Si la toma de la bomba está en un depósito, tanque o cámara de entrada, las pérdidas ocurren en el punto de conexión de la tubería de succión con el suministro. La magnitud de las pérdidas depende del diseño de la entrada al tubo. Una boca acampanada bien diseñada produce la mínima pérdida. Asi mismo, en el lado de descarga del sistema cuando el tubo de descarga termina en algún cuerpo de líquido, se pierde por completo la carga de velocidad del líquido y se debe considerar como parte de las pérdidas totales por fricción en el sistema.



Potencia necesaria La potencia suministrada a la bomba desde una fuente externa se representa por Wext (Potencia eléctricau otras), y se calcula a partir de mediante la expresión:

donde m es la velocidad de flujo de masa.También si estamos manejando una bomba como equipo trabajamos con la siguiente relación:


mecánicaext

HbmW

mecánica

Bombaext

WW


Potencia hidráulica Es la potencia precisada por la bomba exclusivamente para bombear el líquido. Se puede determinar mediante la ecuación siguiente:

Siendo:

Ph: Potencia hidráulica en la bomba (W) Hb: Cabezal de la bomba (m) Q: Caudal de operación (m3/s)


QgHP BH


Potencia al freno Es la potencia en el eje de la bomba y equivale a la potencia hidráulica más la potencia consumida en compensar los distintos tipos de perdidas que se ocasionan en la bomba. Por consiguiente es mayor que la potencia hidráulica. Se puede determinar mediante la ecuación siguiente:

Siendo: W:b Potencia al freno (W) nb: Eficiencia del motor de la bomba (adim.) Pm: Potencia suministrada al motor para un caudal de operación determinado (W)


MBB PW


La Mecánica de Fluidos se puede definir como la ciencia que estudia la cinemática y dinámica de los fluidos ante la acción de fuerzas aplicadas. Dentro de la Mecánica de Fluidos existen innumerables subdivisiones según el fluido sea un gas, en Dinámica de Gases, o un líquido, Hidromecánica, Hidráulica e Hidroestática


Cavitación

Si la presión de succión es sólo ligeramente superior a la presión de vapor, algo de líquido puede vaporizarse súbitamente dentro de la bomba, dando lugar a un proceso que recibe el nombre de cavitación, que reduce grandemente la capacidad de la bomba y provoca una severa erosión. Si la presión de succión es realmente menor que la presión de vapor, la cavitación se producirá en la línea y no puede entrar líquido en la bomba.

Para evitar la cavitación es preciso que la presión a la entrada de la bomba supere a la presión de vapor en una cierta cantidad, que recibe el nombre de carga neta de succión positiva (NPSH).


La Mecánica de Fluidos se puede definir como la ciencia que estudia la cinemática y dinámica de los fluidos ante la acción de fuerzas aplicadas. Dentro de la Mecánica de Fluidos existen innumerables subdivisiones según el fluido sea un gas, en Dinámica de Gases, o un líquido, Hidromecánica, Hidráulica e Hidroestática


NSPH requerida

La "Altura Neta Positiva de Aspiración requerida" ( NSPHr) por la bomba representa la energía mínima, en la brida de succion de la bomba, por sobre la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo y referido al eje de la bomba:.

NSPHr = Hb + hsc - hv

donde:Hb = altura de presión barométricahsc = altura mínima necesaria en la entrada de la bomba referida al eje y en valores relativos.hv = altura de presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo.

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Esta curva junto con los datos de la instalación, permite calcular la altura máxima de succión de la bomba en cuestión, para cada valor de caudal.El NSPHr contempla una serie de variables características como son la forma, el número de paletas y el ángulo de ataque del impulsor, las dimensiones de la zona de succión de modo de mantener la presión en la entrada del rodete de la bomba por encima de la presión de vapor del líquido.


NSPH disponible

Se denomina "Altura Neta Positiva de Aspiración disponible " (AMPAd o NPSHd (Net Positive Suction Head)) a la cantidad de energía con que el liquido llegará a la boca de aspiración de la bomba, es decir la altura de energía disponible medida en la brida de aspiración de la bomba.

Una bomba operando con una determinada altura de aspiración manejará una cierta capacidad máxima de agua fría sin cavitación. La NSPHd o cantidad de energía disponible en la boquilla de succión de esa bomba es la presión atmosférica menos la suma de la altura de aspiración y la presión.de vapor del agua.

NSPHd = Hb + Hs - hvdonde:Hb = altura barométrica local.Hs = energía en la brida de entrada de la bomba en valores relativos a la atmósfera y tomando como eje de referencia el de la bomba.Hv = altura de vaporización del líquido a la temperatura de bombeo.


NSPH disponible

Se denomina "Altura Neta Positiva de Aspiración disponible " (AMPAd o NPSHd (Net Positive Suction Head)) a la cantidad de energía con que el liquido llegará a la boca de aspiración de la bomba, es decir la altura de energía disponible medida en la brida de aspiración de la bomba.

Una bomba operando con una determinada altura de aspiración manejará una cierta capacidad máxima de agua fría sin cavitación. La NSPHd o cantidad de energía disponible en la boquilla de succión de esa bomba es la presión atmosférica menos la suma de la altura de aspiración y la presión.de vapor del agua.


HISTORIA



Bombas de desplazamiento positivo.

Un volumen determinado de líquido queda encerrado en una cámara que, alternativamente, se llena desde la entrada y se vacía a una presión más alta a través de la descarga. Existen dos subclases de bombas de desplazamiento positivo. En las bombas alternativas la cámara es un cilindro estacionario que contiene un émbolo, mientras que en las bombas rotatorias la cámara se mueve desde la entrada hasta la descarga y regresa nuevamente a la entrada.

HISTORIA



HISTORIA Bombas alternativas.

Las bombas de émbolo, de émbolo macizo y de diafragma, son ejemplos de bombas alternativas. En una bomba de émbolo el líquido pasa a través de una válvula de entrada al interior del cilindro mediante la acción de un émbolo y posteriormente es forzado a través de una válvula de descarga durante la carrera de retroceso. La mayor parte de las bombas de émbolo son de doble efecto, es decir, el líquido es admitido alternativamente a cada lado del émbolo, de forma que una parte del cilindro se está llenando mientras la otra se está vaciando. Con frecuencia se utilizan dos o más cilindros en paralelo con cabezales de succión y descarga comunes, y la configuración de los pistones se ajusta con el fin de minimizar las fluctuaciones del flujo de descarga. El pistón puede ser accionado por un motor a través de una caja reductora o bien puede utilizarse una conexión directa a un cilindro accionado por vapor.



Un esfuerzo de corte es una fuerza por unidad de área o tensión. Cuando friccionamos la manteca para luego untar una tostada, lo que aplicamos a la superficie del pan de manteca es un esfuerzo de corte o tensión de corte.

Esfuerzo de corte

El mismo es una fuerza por unidad de área que tiende a romper la sustancia por ser esta un sólido. Si realizamos un esfuerzo similar ahora sobre la superficie de un fluido, el esfuerzo produce una deformación de la superficie, generando un movimiento de la sustancia.

Bombas Rotatorias

Al contrario que las bombas alternativas, las rotatorias no contienen válvulas de retención. Cuanto mejor sea el ajuste entre las partes móviles y las partes estacionarias menores son las fugas desde la cámara de descarga hacia la de succión; por otra parte, esto limita también la velocidad de operación. Las bombas rotatorias trabajan mejor con fluidos limpios y moderadamente viscosos, tales como aceites lubricantes ligeros. Puede operarse con presiones de descarga superiores a 200 atm.



Esfuerzo de corte Bombas centrífugas

La energía mecánica del líquido se aumenta por acción centrífuga El líquido penetra a través de una unión de succión, concéntrica con el eje de una pieza que gira a gran velocidad, llamada impulsor o rodete. El rodete está provisto de álabes radiales solidarios con el mismo. El líquido circula hacia fuera, por el interior de los espacios que existen entre los álabes, y abandona el rodete con una velocidad mucho mayor que a la entrada del mismo.

Las bombas centrífugas constituyen no menos del 80% de la producción mundial de bombas, porque es la más adecuada para manejar más cantidad de líquido que la bomba de desplazamiento positivo.



Esfuerzo de corte

Partes principales de una bomba centrífuga



Esfuerzo de corte Bombas centrífugas de flujo radial.

En estas bombas el líquido entra por el centro del impulsor y fluye radialmente a la periferia, la carga se desarrolla por la acción de la fuerza centrífuga del impulsor. Para bombas con impulsores de simple succión tienen una velocidad específica menor de 4200 rpm y con impulsores de doble succión una velocidad especifica menor de 6000.

Bombas de flujo mixto.

En estas bombas el líquido entra axialmente y descarga en dos direcciones axial y radial, la carga se desarrolla en parte por la acción de la fuerza centrífuga y en parte por la acción de la carcaza tipo voluta, que tiene como objeto reducir la velocidad del líquido por un aumento gradual del área. Estas bombas tienen generalmente impulsores de simple succión aunque también los hay con doble; tienen una velocidad específica de 4200 a 9000 rpm.



Esfuerzo de corte Bombas centrífugas de flujo axial.

En estas bombas el líquido entra axialmente y descarga axialmente, la carga se desarrolla por la acción impelente de golpeo de las aspas del impulsor sobre el líquido. Estas bombas tienen un impulsor de simple succión con una velocidad específica mayor de 9000 rpm. Las bombas centrífugas se subdividen en dos tipos de acuerdo al número de pasos: Bombas de un paso; en este tipo la carga total la desarrolla un impulsor. Bombas de paso múltiple; las de este tipo tienen dos o más impulsores actuando en serie en una misma flecha en la carcaza.



Densidad: La densidad de una sustancia es su masa por unidad de volumen. La unidad de densidad en el SI es el kilogramo por metro cúbico y se denota por p (Rho) (libras por pie cúbico).

Densidad, volumen específico y peso específico

Volúmen específico: La unidad correspondiente en el sistema SI para volumen específico F que es el inverso de la densidad, es el metro cúbico por kilogramo (m3/kg)( pie3/libra).

Curvas características teóricas

Relación carga-capacidad. Las representaciones gráficas de la carga real, el consumo total de potencial y el rendimiento, frente a la velocidad volumétrica de flujo, reciben el nombre de curvas características de una bomba. Tales curvas se representan esquemáticamente en la siguiente figura:

Curvas de características de una bomba centrífuga: (a) carga-capacidad;(b) potencia; (c) rendimiento.



El peso específico (o densidad relativa) es una medidarelativa de la densidad. Como la presión tiene unefecto insignificante sobre la densidad de los líquidos,la temperatura es la única variable que debeser tenida en cuenta al sentar las bases para el pesoespecífico. La densidad relativa de un líquido es larelación de su densidad a cierta temperatura, conrespecto al agua a una temperatura normalizada.

La diferencia entre las curvas teórica y real se debe esencialmente al flujo circulatorio.Otros factores que contribuyen a la pérdida de carga son la fricción del fluido en los conductos y canales de la bomba y a las pérdidas de choque debidas al cambio brusco de dirección del líquido que sale del rodete, así como a la unión de la corriente de líquido que circula circunferencialmente alrededor de la carcasa.



Densidad, volumen específico y peso específico

El peso específico (o densidad relativa) es una medida relativa de la densidad. Como la presión tiene un efecto insignificante sobre la densidad de los líquidos, la temperatura es la única variable que debe ser tenida en cuenta al sentar las bases para el peso específico. La densidad relativa de un líquido es la relación de su densidad a cierta temperatura, con respecto al agua a una temperatura normalizada.

Curvas de potencia.

Se presentan curvas típicas de la potencia de fluido PI y la potencia total PB frente a la velocidad de flujo. La diferencia entre el funcionamiento ideal y el real representa la pérdida de potencia en la bomba, que se debe a la fricción del fluido y las pérdidas de choque, con conversión de energía mecánica en calor, y pérdidas por fugas, fricción de disco y en los cojinetes.



Viscosidad: La viscosidad expresa la facilidad que tiene un fluido para fluir cuando se le aplica una fuerza externa. El coeficiente de viscosidad absoluta, o simplemente la viscosidad absoluta de un fluido, es una medida de su resistencia al deslizamiento o a sufrir deformaciones internas. La melaza es un fluido muy viscoso en comparación con el agua; a su vez, los gases son menos viscosos en comparación con el agua.

Las fugas representan un flujo invertido desde la descarga del rodete hasta el orificio de succión, y dan lugar a una reducción del volumen real descargado por la bomba por unidad de potencia consumida. La fricción de disco es la fricción que tiene lugar entre la superficie exterior del rodete y el líquido que ocupa el espacio comprendido entre el rodete y la parte interior de la carcasa. Las pérdidas en los cojinetes representan la potencia que se requiere para vencer la fricción mecánica en los cojinetes y en prensaestopas o cierre de la bomba.



Viscosidad absoluta o dinámica: La unidad de viscosidad dinámica en el sistema internacional (SI) es el pascal segundo (Pa s) o también newton segundo por metro cuadrado (N s/m2), o sea kilogramo por metro segundo (kg/ms). Esta unidad se conoce también con el nombre de poiseuille (Pl) en Francia, pero debe tenerse en cuenta que no es la misma que el poise (P).

Rendimiento.

El rendimiento de una bomba es la relación entre la potencia comunicada al fluido y la entrada total de potencia. La curva indica que el rendimiento disminuye rápidamente con la velocidad de flujo para bajas velocidades, alcanza un máximo en la región de la capacidad especificada de la bomba, y disminuye después a medida que la velocidad de flujo se aproxima al valor de carga cero.



Viscosidad absoluta o dinámica: La unidad de viscosidad dinámica en el sistema internacional (SI) es el pascal segundo (Pa s) o también newton segundo por metro cuadrado (N s/m2), o sea kilogramo por metro segundo (kg/ms). Esta unidad se conoce también con el nombre de poiseuille (Pl) en Francia, pero debe tenerse en cuenta que no es la misma que el poise (P).

Curvas de capacidades nominales

Las curvas de capacidades nominales suelen aparecer en boletines y literatura de ventas de las bombas estándar. Una curva de capacidad nominal de una bomba centrífuga indica, en forma condensada, las posibles aplicaciones de ella a determinada velocidad nominal con una serie de diámetros de impulsores. Por lo general hay una gráfica diferente para cada velocidad de motor para una bomba particular. Además, las curvas de capacidades nominales suelen incluir una curva de la carga neta positiva de succión requerida (NPSH). Se preparan curvas de capacidades nominales de una línea completa de bombas similares para facilitar la selección.



Curvas característica típica de una bomba centrífuga


Curvas característica típica de una bomba centrífuga

La curva cabezal-caudal representa la relación entre la altura de una bomba centrífuga y su caudal, y mientras no se rebase la altura de aspiración admisible, la bomba trabaja sobre esta curva. Las líneas son decrecientes de izquierda a derecha, representadas en trazo grueso. En la curva H/Q también se refleja el rendimiento (η%) bajo la forma de una curva conoide trazo fino. El rendimiento es válido para la bomba y no se ha tomado en cuenta aun el rendimiento del motor.

La curva potencia absorbida o potencia al freno W/Q de una bomba centrífuga es una función de la velocidad especifica y es distinta para cada forma del rodete. La potencia crece constantemente con el caudal elevado y vuelve a decrecer por regla general, una vez rebasado el redimiendo máximo. La forma de la curva NPSH/Q depende mucho de la velocidad específica(ROYO,

1996).


Curvas del sistema y punto de operación

La manera en que una bomba trabaja depende no sólo de las características de funcionamiento de la bomba, sino también de las características del sistema en el cual vaya a trabajar. Para el caso de una bomba dada se muestran las características de funcionamiento de la bomba H/Q para una velocidad de operación dada, normalmente a la velocidad que da el rendimiento máximo. También en una gráfico se muestra la curva característica del sistema (es decir, la altura de bombeo requerida respecto a Q). En este caso la bomba esta suministrando líquido a través de un sistema de tuberías con una altura estática ΔZ. La altura que la bomba debe desarrollar es igual a la elevación estática más la pérdida total de carga en el sistema de tuberías (aproximadamente proporcional a Q2). La altura de funcionamiento de la bomba real y el caudal a trabajar, es decir, El punto de operación, son determinados por intersección de las dos curvas(FRANZINI, 1997).


Bombas centrífugas de múltiple etapa.

La máxima carga que se puede generar con un solo rodete está limitada por la velocidad periférica que razonablemente puede alcanzarse. Cuando se necesita una carga superior a aproximadamente 20 a 30 m, pueden acoplarse en serie dos o más rodetes sobre un solo eje para formar una bomba de múltiple etapa. La descarga procedente de la primera etapa constituye la succión de la segunda; la descarga de ésta, la succión de la tercera, y así sucesivamente. Las cargas desarrolladas por cada una de las etapas se suman para dar lugar a una carga total que es varías veces la de una sola etapa.



Factores que afectan a la viscosidadBomba de Cebado

Una bomba centrífuga que operase con aire no podría elevar el líquido desde una conducción de succión inicialmente vacía. ¿ Por qué?

Si vemos la ecuación para el cálculo de cabezal para una bomba centrífuga

Indica que la carga teórica desarrollada por una bomba centrífuga, depende de la velocidad del rodete, del radio del mismo y de la velocidad del fluido que sale del rodete. Si estos factores son constantes, la carga desarrollada es la misma, cualquiera que sea el peso específico del fluido y es igual para líquidos y gases.



Factores que afectan a la viscosidad

Una bomba con aire en su carcasa, se dice que está «taponada con aire» y no puede funcionar hasta que el aire haya sido reemplazado por líquido. El aire puede ser desalojado cebando la bomba desde un tanque auxiliar de cebado, conectado a la tubería de succión o bien introduciendo líquido en la misma mediante un dispositivo de vacío independiente.

El aumento de presión, sin embargo, es igual al producto de la carga desarrollada por el peso específico del fluido. Si una bomba desarrolla, por ejemplo, una carga de 100 pies, y está llena de agua, el aumento de presión es igual a 100 x 62,3/144 = 43 lbf/pulg2. Si la bomba está llena con aire en condiciones ordinarias, el aumento de presión es del orden de 0,l lb,/pulg2.



Bomba centrífuga de Cebado.



Bombas en Serie.


Bombas en Paralelo.


Ecuaciones involucradas en el cálculo de bombas

Pérdidas de carga por tubería y accesorios.

Siendo:

Hftubyacc : Pérdidas de carga por la tubería y accesorios (mH2O).L : Longitud de la tubería (m).Leqi : Longitud equivalente del accesorio i.ni : Número de accesorios i..


LeqniLdg

UfHf D

tubyacc ***2

* 2



Factor de fricción de Darcy.

Siendo:

Siendo:fD : Factor de fricción de Darcy (adim).ε: Aspereza relativa (m.).


d

fD7,3log2

1



Potencia al freno de una bomba

Siendo:

W : Potencia al freno de la bomba (W).η r1 : Eficiencia del motor de la bomba (adim).I : Intensidad del la corriente (Amp).V : Voltaje del motor de la bomba (v).


2

**11

VIrWB



Eficiencia de una bomba individual

Siendo:

W : Potencia al freno de la bomba (W).del motor de la bomba (v).


Bi

BiBi W

QgH ***


Valores de K utilizados en el cálculo de Ecuación de Bernoulli



Bibliografía

Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Warren McCabe-Julian smith, 4ta Edición. McGraw-hill.

PDVSA "MDP 02 P 05

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