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CAPTULO III: MARCO TERICO

En ste captulo se describen los equipos y dispositivos que componen un sistema de bombeo para extraccin de agua de mar y los fenmenos fsicos que en ellos pueden ocurrir.

3.1 Motores Disel

El motor disel est compuesto de mecanismos que en conjunto conforman un motor trmico de combustin interna y que por su constitucin pertenece al tipo de los motores alternativos de encendido por compresin.

El motor disel tiene la funcin de transformar la energa qumica del combustible (disel) en energa mecnica de movimiento. Esta transformacin se basa en que el calor genera un trabajo, el cual se realiza mediante la generacin de presin proveniente de la expansin (volumen) de los gases bajo la accin del calor.

3.1.1 Combustin internaEs cuando el combustible se quema y cede su energa calorfica dentro del mismo motor.Se dice que un motor es alternativo cuando el empuje del pistn se produce en alternancias, esto es, al expandirse el gas reacciona con el calor y desplaza la posicin del pistn, el cual al llegar al fondo de su carrera deja de recibir este empuje y mediante un eje cigeal vuelve a recuperar su posicin superior. Enseguida vuelven a actuar los gases hacia el pistn y as sucesivamente.

3.1.2 Ciclos de los motores Disel

Como se mencion anteriormente los motores disel pertenecen a la familia de los motores de combustin interna alternativos o endotrmicos alternativos, pero adems pueden estar diseados bajo dos tipos fundamentales de ciclo:

Ciclo de 4 tiempos Ciclo de 2 tiempos

La carrera es el desplazamiento del pistn en el interior del cilindro, desde la parte ms alta hasta la ms baja, es decir, el recorrido mximo que puede realizar el pistn dentro del cilindro.

Cuando el pistn se encuentra en la parte ms alta posible se le conoce como punto muerto superior (PMS), a medida que el pistn se desplaza hacia la parte inferior por la expansin y presin de los gases, el cigeal va girando, hasta llegar el pistn a la posicin ms baja posible conocida como punto muerto inferior (PMI). Por lo que podemos concluir, que con el cumplimiento del paso del punto muerto superior al punto muerto inferior se ha efectuado una carrera. Y si ahora pasa del PMI al PMS est realizando una nueva carrera. La reunin de 2 carreras forma una revolucin.

Por lo anterior, podemos decir que un motor de 2 tiempos, es el que lleva a cabo el ciclo de funcionamiento en 2 carreras, mientras que si el ciclo necesita 4 carreras, el motor recibe el nombre de motor de 4 tiempos.

3.1.3 Motores de cuatro tiempos

El funcionamiento se realizar a travs de cuatro carreras de pistn llamadas: admisin, compresin, trabajo y escape.

Admisin: El pistn estando en su punto ms alto llamado punto muerto superior (PMS), inicia su carrera descendente. Al abrirse la vlvula, un poco antes del PMS y al permanecer sta abierta, el pistn aspira al cilindro aire de la atmsfera. Despus de pasar el pistn por su posicin ms baja, llamado punto muerto inferior (PMI), la vlvula de admisin se cierra terminando la admisin.

Compresin: Se inicia al estar las dos vlvulas cerradas al continuar el pistn ahora su movimiento ascendente, comprime el aire hasta que el pistn llega nuevamente al PMS. Esta compresin hace que el aire encerrado aumente considerablemente su presin y temperatura.

Trabajo: Al llegar el pistn al PMS, el sistema de inyeccin se encarga de introducir el combustible que se quema en contacto con el aire a la elevada temperatura en que este ltimo se encuentra. En esta combustin se libera la energa qumica acumulada, aumentando la presin, iniciando ahora el segundo descenso del mbolo llamada carrera de trabajo, expansin o potencia. Antes de llegar al PMI se empieza a abrir la vlvula de escape terminando la expansin.

Escape: Al iniciarse la abertura de la vlvula de escape empieza la carrera de escape. Como decamos en el prrafo anterior, esto sucede antes de que el pistn llegue a su PMI. Desde que la vlvula de escape abre hasta que el pistn llega al PMI, los gases se desplazan hacia el exterior debido a la presin elevada en que se encuentran a consecuencia de la combustin. Pasando por el PMI y nuevamente en su carrera ascendente, el pistn empuja los gases quemados hacia el exterior hasta que llega al PMS. Termina este perodo un poco despus de esta posicin, cuando la vlvula de escape se ha cerrado.

La Figura 3.1 muestra el esquema de funcionamiento de un motor Disel de cuatro tiempos.

Fig.3.1 Esquema de funcionamiento de un motor de cuatro tiempos

3.1.4 Conceptos bsicos

Los conceptos bsicos en un motor disel son los siguientes:

a) Fuerza: Se define como todo aquello que produce o tiende a producir un movimiento o es capaz de modificar su velocidad o su direccin. Si esta fuerza ejercida para mover un objeto la relacionamos con una distancia, tendremos entonces un trabajo.

b) Trabajo: Se define como la fuerza ejercida para mover un objeto cuyo peso se conoce a lo largo de una distancia. Donde: Trabajo Fuerza Distancia

c) Potencia: Es el trabajo realizado por unidad de tiempo dado. Por lo que a menor tiempo mayor potencia.

Donde:Potencia TrabajoTiempo

d) Torque: Es la fuerza de torcer y girar que se desarrolla en el cigeal y es una medida de la capacidad del motor para efectuar un trabajo.

Donde: Torque Potencia Revoluciones por minuto

e) Desplazamiento o cilindrada: Es la cantidad o volumen de aire que desplaza un pistn a travs de un cilindro desde el punto muerto inferior (PMI) hasta el punto muerto superior (PMS) multiplicado por el nmero de cilindros del motor.

Donde: Cilindrada total Dimetro del cilindro (mm o plg) Carrera del pistn (mm o plg) Nmero de cilindros

3.1.5 Componentes de un motor Disel

El motor Disel es considerado un motor trmico de combustin interna y de encendido por compresin, cuya funcin es la de transformar la energa qumica del combustible (disel) en energa mecnica de movimiento aplicado al tren motriz, permitiendo el desplazamiento de la unidad.

La Tabla N 3.1 muestra los componentes estacionarios y mviles de un motor Disel.

Tabla N 3.1 Componentes de un motor Disel

3.2.5 Rendimiento de un motor Disel

3.2 Bombas Centrfugas

Una bomba es un dispositivo mecnico utilizado en la conduccin de lquidos o transferencia de un valor de presin o energa esttica a otro.

Los elementos que forman una instalacin de este tipo son:1. Tubera de aspiracin:2. Impulsor o rodete3. Voluta4. Tubera de impulsin

La accin del bombeo es la adicin de energas cintica y potencial a un lquido con el fin de moverlo de un punto a otro. Esta energa har que el lquido efecte trabajo, tal como circular por una tubera o subir a una mayor altura.

Una bomba centrfuga transforma la energa mecnica de un impulsor rotatorio en la energa cintica y potencial requerida. Aunque la fuerza centrfuga producida depende tanto de la velocidad en la punta de los labes o periferia del impulsor y de la densidad del lquido, la cantidad de energa que se aplica por libra de lquido es independiente de la densidad del lquido. Por tanto, en una bomba dada que funcione a cierta velocidad y que maneje un volumen definido de lquido, la energa que se aplica y transfiere al lquido, (en ft-lb/lb de lquido) es la misma para cualquier lquido sin que importe su densidad. (La nica salvedad es que la viscosidad del lquido influye en esta energa como se ver ms adelante.) Por tanto, la carga o energa de la bomba en ft-lb/lb se debe expresar en pies (ft).

En bombas de alta presin pueden emplearse varios rotores en serie, y los difusores posteriores a cada rotor pueden contener aletas de gua para reducir poco a poco la velocidad del lquido.

En las bombas de baja presin, el difusor suele ser un canal en espiral cuya superficie transversal aumenta de forma gradual para reducir la velocidad. El rotor debe ser cebado antes de empezar a funcionar, es decir, debe estar rodeado de lquido cuando se arranca la bomba. Esto puede lograrse colocando una vlvula de retencin en el conducto de succin, que mantiene el lquido en la bomba cuando el rotor no gira. Si esta vlvula pierde, puede ser necesario cebar la bomba introduciendo lquido desde una fuente externa, como el depsito de salida. Por lo general, las bombas centrfugas tienen una vlvula en el conducto de salida para controlar el flujo y la presin.

En el caso de flujos bajos y altas presiones, la accin del rotor es en gran medida radial. En flujos ms elevados y presiones de salida menores, la direccin de flujo en el interior de la bomba es ms paralela al eje del rotor (flujo axial). En ese caso, el rotor acta como una hlice. La transicin de un tipo de condiciones a otro es gradual, y cuando las condiciones son intermedias se habla de flujo mixto.

Para el sistema de bombeo en s se debe tener en cuenta que:

la carga se puede medir en diversas unidades como ft de lquido, presin en psi, pulgadas de mercurio, etc. las lecturas de presin y de carga pueden ser manomtricas o absolutas (la diferencia de stas presiones vara de acuerdo con la presin atmosfrica segn sea la altitud). nunca se debe permitir que la presin en cualquier sistema que maneje lquidos caiga por abajo de la presin de vapor del lquido.

Fig.3.1 Relacin entre presin atmosfrica, absoluta y manomtrica

Las presiones suelen expresarse tomando como referencia un origen arbitrario. Los manmetros miden la diferencia entre la presin del fluido y la presin atmosfrica local. Por lo tanto hay que sumar esta ltima al valor indicado por el manmetro para hallar la presin absoluta. Una lectura negativa de manmetro indica un vaco parcial.

En trminos estrictos, una bomba slo puede funcionar dentro de un sistema. Para entregar un volumen dado de lquido en este sistema, la bomba debe aplicar, al lquido, una energa formada por los siguientes componentes:

Carga esttica Diferencia en presiones en la superficies de los lquidos Carga de friccin Prdidas en la entrada y salida

3.2.1 Carga esttica

La carga esttica significa una diferencia en elevacin. Por tanto, la carga esttica total de un sistema es la diferencia en elevacin entre los niveles del lquido en los puntos de descarga y de succin de la bomba.

La carga esttica de descarga es la diferencia en elevacin entre el nivel del lquido de descarga y la lnea de centros de la bomba. Si la carga esttica de succin tiene valor negativo porque el nivel del lquido para succin est debajo de la lnea de centros de la bomba, se la suele llamar altura esttica de aspiracin. Si el nivel de lquido de succin o de descarga est sometido a una presin que no sea la atmosfrica, sta se puede considerar como parte de la carga esttica o como una adicin por separado a la carga esttica.

Fig.6 Bomba operando con elevacin de succin

dnde:

En la figura 6 se muestra un sistema con nivel de suministro debajo de la lnea de centros de la bomba, en ste caso, la lectura del manmetro de la brida de succin corresponder a un vaco.

Fig. 7 Bomba operando con carga de succin

dnde:

En la figura 7 se muestra un sistema con nivel de suministro arriba de la lnea de centros de la bomba, en ste caso, la lectura del manmetro de la brida de succin corresponder a una presin.

De las ecuaciones vistas se tiene que:

Carga total en m, comnmente conocida como carga dinmica total. Todas las cargas estn medidas en m columna de lquido bombeado.Carga total de succin en m columna de lquido.: Carga total de descarga en m columna de lquido.: Carga esttica de succin de descarga en m. Distancia vertical desde el nivel libre de lquido de succin a la lnea de referencia.Carga esttica de descarga en m. Distancia vertical entre la lnea de referencia y la superficie libre de lquido del tanque de descarga. como lnea de referencia debe tomarse la lnea de centros de la bomba, en horizontales y verticales de doble succin o la entrada al ojo del primer impulsor para bombas verticales de simple succin.: Prdidas por rozamiento en la tubera de succin en m. A la carga requerida para vencer el rozamiento en las tuberas, vlvulas, accesorios, codos, etc.: Prdida por rozamiento en la tubera de descarga en m.

3.2.2 Carga de friccin

La carga de friccin (expresada en ft del lquido que se bombea) es la necesaria para contrarrestar las prdidas por friccin ocasionadas por el flujo del lquido en la tubera, vlvulas, accesorios y otros componentes como pueden ser los intercambiadores de calor.

Estas prdidas varan ms o menos proporcionalmente al cuadrado del flujo en el sistema. Tambin varan de acuerdo con el tamao, tipo y condiciones de las superficies de tubos y accesorios y las caractersticas del lquido bombeado. Al calcular las prdidas por friccin, se debe tener en cuenta que aumentan conforme la tubera se deteriora con el tiempo.

3.2.3 Prdidas a la entrada y salida

Si la toma de la bomba est en un depsito, tanque o cmara de entrada, las prdidas ocurren en el punto de conexin de la tubera de succin con el suministro. La magnitud de las prdidas depende del diseo de la entrada al tubo. Una boca acampanada bien diseada produce la mnima prdida. Asimismo, en el lado de descarga del sistema cuando el tubo de descarga termina en algn cuerpo de lquido, se pierde por completo la carga de velocidad del lquido y se debe considerar como parte de las prdidas totales por friccin en el sistema.

3.2.4 NPSH ( Carga neta positiva de succin)

Es la energa necesaria para que el fluido circule hasta el ojo del impulsor. Esta energa es producida ya sea por la presin atmosfrica o por una carga esttica ms la presin atmosfrica del lugar. En una bomba que trabaja en un sistema con elevacin de succin, la nica carga que hace que el lquido circule hasta el ojo del impulsor, es producida nicamente por la presin atmosfrica.

Este anlisis de energas en la tubera de succin de una bomba debe hacerse para determinar si el lquido puede o no vaporizar en puntos de baja presin. Debido a que sta cantidad de energa es limitada, es necesario extremar las precauciones para evitar un funcionamiento anormal por insuficiencia de NPSH.La presin de vapor ejercida por un lquido, depende de su temperatura. A medida que aumenta su temperatura se incrementa su presin de vapor. Cuando la presin de vapor del fluido llega a igualar la presin de su medio circulante el fluido empieza a vaporizar o hervir, en esta condicin su volumen es sumamente grande, a modo de ejemplo un pie cbico de agua se convierte en 1700 pies cbicos de vapor.

Por lo anterior es que un fluido debe mantenerse en el bombeo siempre en su estado lquido. El NPSH es una medida del valor de la carga de succin para prevenir la vaporizacin en puntos de baja presin.

Por definicin el NPSH es la carga de succin absoluta de lquido en la boquilla de succin de la bomba menos la presin de vapor del lquido.

En la prctica tenemos dos cantidades de NPSH que debemos considerar, la carga neta positiva de succin requerida (NPSHR) y la carga neta positiva de succin disponible (NPSHD).

El NPSHR es determinado por el fabricante, es representado en las curvas de comportamiento de los equipos.

El NPSHD es una funcin del sistema en el que trabaja la bomba y puede ser calculado para cualquier instalacin.

En cualquier estacin de bombeo el NPSH disponible debe ser mayor o igual al NPSH requerido para obtener una operacin satisfactoria y confiable del equipo de bombeo.3.2.5 Cavitacin

La cavitacin se define como la vaporizacin local de un lquido debido a las reducciones locales de presin, por la accin dinmica del fluido. Este fenmeno est caracterizado por la formacin de burbujas de vapor en el interior o en las proximidades de una vena fluida.

La condicin fsica ms general para que ocurra la cavitacin es cuando la presin en ese punto baja al valor de la presin de vaporizacin.

Una disminucin general de la presin se produce debido a cualquiera de las siguientes condiciones:

1. Un incremento en la altura de succin esttica.2. Una disminucin en la presin atmosfrica, debido a un aumento de altitud sobre el nivel del mar.3. Una disminucin en la presin absoluta del sistema, tal como la que se presenta cuando se bombea de recipientes donde existe vaco.4. Un incremento en la temperatura del lquido bombeado, el cual tiene el mismo efecto que una disminucin en la presin absoluta del sistema, ya que, al aumentar la temperatura, la presin de vaporizacin es ms alta y, por tanto, menor la diferencia entre la presin del sistema y esta.

Por lo que respecta a una disminucin de presin local, esta se produce debido a las condiciones dinmicas siguientes:

a) Un incremento en la velocidad.b) Como resultado de separaciones y contracciones de flujo, fenmeno que se presenta al bombear lquidos viscosos.c) Una desviacin del flujo de su trayectoria normal, tal como la que tiene lugar en una vuelta o en una ampliacin o una reduccin, todas ellas bruscas.

3.2.5.1 Indicios de la existencia de cavitacin

La cavitacin puede manifestarse de maneras diferentes, algunos de los signos ms importantes son:

1. Ruidos y vibraciones.2. Cada de las curvas de capacidad-carga y eficiencia.3. Desgaste de las aspas del impulsor.

Se analizarn estos signos con mayor detalle.

3.2.5.2 Ruido y vibracin

El ruido se debe al choque brusco de las burbujas de vapor cuando estas llegan a las zonas de alta presin, y es ms fuerte en bombas de mayor tamao.

3.2.5.3 Cada de las curvas de carga-capacidad

La forma que adopta una curva al llegar al punto de cavitacin vara con la velocidad especfica de la bomba. Con bombas de baja velocidad especfica, las curvas de carga-capacidad, eficiencia y potencia se quiebran y caen bruscamente al llegar al punto de cavitacin.

En bombas de media velocidad especfica el cambio es menos brusco y en bombas de alta velocidad especfica es un cambio gradual sin que pueda fijarse un punto preciso en que la curva se quiebre.

La diferencia en el comportamiento de bombas de diferentes velocidades especficas, se debe a las diferencias de diseo del impulsor. En los de baja velocidad especfica, las aspas forman canales de longitud y forma definidos. Cuando la presin en el ojo del impulsor llega a la presin de vaporizacin, generalmente en el lado de atrs de los extremos de entradas del aspa, el rea de presin se extiende muy rpidamente a travs de todo el ancho del canal, con un pequeo incremento en gasto y una disminucin en la carga.

Una cada posterior en la presin de descarga ya no produce ms flujo, porque ste est fijado por la diferencia entre la presin existente en la succin y la presin de vaporizacin que hay en la parte mencionada del canal.Adems en las bombas de baja y media velocidad especfica, se observa que al bajar la carga, el gasto disminuye en vez de aumentar. Este se debe a un incremento de la zona de baja presin a lo largo del canal del impulsor.

3.2.5.4 Desgaste del impulsor

Si un impulsor de una bomba es pesado antes y despus del fenmeno de la cavitacin se notar una disminucin en su peso. Tan importante es que los fabricantes para impulsores de gran tamao especifican la cantidad mxima de metal que se perder por ao.

El lugar donde se produce el desgaste siempre est ms all de los puntos de baja presin donde se forman las burbujas, lo que demuestra que solo hay accin mecnica.

Los materiales con poca cohesin molecular sufren mayor desgaste, ya que las partculas desprendidas vuelven a ser lanzadas contra el material, logrando llegar a incrustarse para luego desprenderse otra vez.

El desgaste por cavitacin debe distinguirse del que producen la corrosin y la erosin. El de corrosin lo causa la accin qumica y electroltica de los lquidos bombeados y el segundo es causado por las partculas abrasivas como la arena o el carbn.

La cavitacin puede ser evitada o reducida mediante las siguientes acciones:

Conocer las condiciones de succin existentes en el sistema de bombeo. Las condiciones de succin pueden ser mejoradas aumentando el dimetro en la tubera de succin, reduciendo su longitud, eliminando codos y todo lo que produzca prdida de carga. Una revisin detalla de las secciones por donde pasara el lquido bombeado, tubera de succin, impulsor y carcaza, cuidando que no existan elementos de obstruccin al paso del fluido. Uso de materiales adecuados. Introducir pequeas cantidades de aire para reducir el efecto.

3.2.5.5 Golpe de ariete

El golpe de ariete es un choque hidrulico causado por la transformacin brusca de la energa cintica del agua en energa de presin (sobrepresin).

El golpe de ariete en un equipo de bombeo se produce:

Al detener el motor de la bomba sin antes haber cerrado la vlvula de descarga. Al ocurrir un corte imprevisto de corriente que afecte el funcionamiento de la bomba.

Las acciones que ayudan a disminuir el golpe de ariete son:

Si ha de detenerse la bomba, debe cerrarse lentamente la vlvula de descarga. Seleccionar un dimetro de tubera de descarga grande para que la velocidad del fluido sea pequea. En la tubera de descarga instalar una vlvula de retencin para que en caso de parar la bomba de manera imprevista el fluido no regrese y golpee al impulsor. Inyectar aire comprimido para producir un muelle elstico durante la sobrepresin.

3.3 Acoplamientos Motor-Bomba