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Bombas y sus aplicaciones parte 1 - Monografía



 
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Equipos mecánicos. Diagrama de clasificación. Características de rendimiento, selección y funcionamiento. Bomba de potencia, vapor, centrífuga, caudal, desplazamiento, múltiples, oscilantes, rotativas, reciprocantes y rotatorias



INTRODUCCIÓN



Las primeras bombas de las que se tiene conocimiento, son conocidas de diversas formas, dependiendo de la manera en que se registró su descripción, como las ruedas persas, ruedas de agua o norias. Todos estos dispositivos eran ruedas bajo el agua que contenían cubetas que se llenaban con agua cuando se sumergían en una corriente y que automáticamente se vaciaban en un colector a medida que se llevaban al punto más alto de la rueda en movimiento. La existencia, en algunas partes de Oriente, de ruedas semejantes ha continuado aun dentro del siglo veinte.

La mas conocida de aquellas bombas, el tornillo de Arquímedes, aun persiste en los tiempos modernos. Todavía se manufactura para aplicaciones de baja carga, en donde el líquido se carga con basura u otros sólidos.

Sin embargo, es probablemente más interesante el hecho con todo el desarrollo tecnológico que ha ocurrido desde los tiempos antiguos, incluyendo la transformación de la potencia del agua en otra formas de energía, hasta la fisión nuclear, la bomba queda probablemente como la segunda máquina de uso más común, excedida apenas por el motor eléctrico.

Puesto que las bombas han existido por tanto tiempo y su uso está tan extendido, no es de sorprenderse que se produzcan en una infinidad de variedades de tamaños y tipos y que se apliquen también a una infinidad de servicios. Proporcionando un trabajo comprensible de algunos tipos de estas bombas.

Siempre que tratemos temas como procesos químicos, y de cualquier circulación de fluidos estamos, de alguna manera entrando en el tema de bombas.

El funcionamiento en si de la bomba será el de un convertidor de energía, o sea, transformara la energía mecánica en energía cinética, generando presión y velocidad en el fluido.

Los factores más importantes que permiten escoger un sistema de bombeo adecuado son: presión última, presión de proceso, velocidad de bombeo, tipo de gases a bombear (la eficiencia de cada bomba varía según el tipo de gas).
Un equipo de bombeo es un transformador de energía, mecánica que puede proceder de un motor eléctrico, térmico, etc.   Y la convierte en energía, que un fluido adquiere en forma de presión, de posición y de velocidad.

Así se tendrán bombas que funcionen para cambiar la posición de un cierto fluido.  Por ejemplo la bomba de pozo profundo, que adiciona energía para que el agua del sub-suelo se eleve a la superficie.

Un ejemplo de bombas que adicionan energía de presión sería una bomba en un oleoducto, en donde  las cotas de altura así como los diámetros de tuberías y consecuentemente las velocidades fuesen iguales, en tanto que la presión fuesen iguales, en tanto que la presión fuese incrementada para poder vencer las perdidas de fricción que se tuviesen en la conducción.

Existen bombas que trabajan con presiones y alturas iguales que únicamente adicionan energía de velocidad.  Sin embargo a este respecto hay muchas confusiones en los términos presión y velocidad por la acepción que llevan implícita de las expresiones fuerza-tiempo. En la mayoría de las aplicaciones de energía conferida por la bomba es una mezcla de las tres.  Las cuales se comportan de acuerdo con las ecuaciones fundamentales de la mecánica de fluidos.

Lo inverso a lo que sucede en una bomba se tiene en una máquina llamada comúnmente turbina, la cual transforma la energía de un fluido en sus diferentes componentes citadas en energía mecánica.
Para una mayor claridad, buscando una analogía con las máquinas eléctricas, y para el caso específico del agua, una bomba sería un generador hidráulico, en tanto que una turbina sería un motor hidráulico.

Normalmente un generador hidráulico (bomba) es accionado por un motor eléctrico, térmico, etc. mientras que un motor hidráulico (turbina) acciona un generador eléctrico.

Tratándose de fluidos compresibles el generador suele llamarse compresor y el motor puede ser una turbina de aire, gas o simplemente un motor térmico.

Antes de conocer los fundamentos de operación de las bombas es necesario distinguir las diferentes clases de bombas que existen, y para esto la clasificación dada por el “Hidraulic  Institute” de EE.UU. (1984) parece ser la más adecuada.

Existe una diversidad de clasificación de bombas que ocasionalmente puede causar confusión al intentar ubicarlas dentro de un cierto tipo, clave u otra distinción, sin embargo la más adecuada para propósitos de este trabajo es la proporcionada por el instituto de Hidráulica de los EE.UU.

Esta clasificación toma en cuenta la forma cómo el fluido se desplaza dentro de los elementos de la bomba, así para aquellos en los que el fluido se desplaza a presión dentro de una carcasa cerrada, como resultados del movimiento suavizada de un pistón o embolo, se le denomina  “bombas de desplazamiento positivo”, mientras que las bombas en las cuales el fluido es desplazado por el movimiento circular de uno o varios impulsores provistos de alabe, se les denomina “Bombas Centrifugas”  y es en el presente trabajo a estas últimas a las que se hará referencia.

La clasificación anterior parece ser la más adecuada sin embargo, puede ser útil conocer dentro de esta clasificación algunas características o situaciones que ayudara a seleccionar la bomba más adecuada.  Si por ejemplo estás pueden ser clasificadas de la siguiente manera; según el sistema donde funcionarán o la forma física de ella.  Para la primera clasificación que es conocer el sistema donde la bomba tendrá su funcionamiento.

Consiste en saber si la bomba succionara del recipiente y con alturas variables o si la bomba se instalará en un sumidero o en una fosa.  Así mismo en necesario el liquido que la bomba manejará : si con volátiles, viscosos, calientes o pastas aguadas, que así se manejará el concepto de densidad y partículas que la bomba pueda impulsar.

Respecto a la forma física de la bomba se debe tener en cuenta que existen bombas de eje horizontal o vertical, ambas de empujes centros o de desplazamiento positivo, baja  o  alta velocidad , también la especificación  de los materiales deben ser compatibles con los líquidos que se bombearán.

Una práctica común es definir la capacidad de una bomba con el número adimensional llamado velocidad específica, que se describe posteriormente  que es función del número  de revoluciones a las que giren sus participantes rotatorias, de la siguiente forma se puede ser de alta o baja velocidad.

CARACTERÍSTICAS DE LAS BOMBAS



Caudal



El caudal de una bomba esta determinado por la siguiente relación:

CAUDAL = CILINDRADA * VELOCIDAD

El caudal así obtenido es llamado caudal teórico, que es simplemente superior al caudal real en función del rendimiento volumétrico de la bomba, es decir de las fugas internas de la misma.

Se define el rendimiento volumétrico como la relación entre el caudal real y el caudal teórico:
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Este rendimiento volumétrico oscila entre el 80 y el 99% según el tipo de bomba, su construcción y sus tolerancias internas, y según las condiciones especificas de velocidad, presión, viscosidad del fluido, temperatura, etc.

El rendimiento total de una bomba es el producto de sus rendimientos volumétrico y mecánico:

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El rendimiento total de una bomba nueva puede oscilar entre el 50 y el 90%, valores que disminuirán con el uso y el desgaste de los elementos de estanqueidad interna propia de la bomba.

Presión de Trabajo



Todos los fabricantes otorgan a sus bombas un valor denominado presión máxima de trabajo, algunos incluyen las presiones de rotura o la presión máxima intermitente, y otros adjuntan la gráfica de presión /vida de sus bombas. Estos valores los determina el fabricante en función de una duración razonable de la bomba trabajando en condiciones determinadas.
El valor de la presión máxima de trabajo suele calcularse para una vida de 10000 horas; en algunos casos se especifican también las presiones máximas intermitentes o puntales.

Vida



La vida de una bomba viene determinada por el tiempo de trabajo desde el momento en que se instala hasta el momento en que su rendimiento volumétrico haya disminuido hasta un valor inaceptable, sin embargo este punto varia mucho en función de la aplicación. Así por ejemplo hay instalaciones donde el rendimiento no puede ser inferior al 90%, mientras que otras se aprovecha la bomba incluso cuando
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Fig. 4. Vida de las bombas en función de la presión

su rendimiento es inferior al 50%. La vida de una bomba también varia considerablemente en función del nivel de contaminación del fluido con el que se esta trabajando.

CARACTERÍSTICAS DE RENDIMIENTO Y DE SELECCIÓN DE LA BOMBA


Características de rendimiento de la bomba



El Aumento de carga real ganado por el fluido a través de una bomba se puede determinar utilizando la siguiente ecuación:

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Fig. 4. Vida de las bombas en función de la presión

su rendimiento es inferior al 50%. La vida de una bomba también varia considerablemente en función del nivel de contaminación del fluido con el que se esta trabajando.

CARACTERÍSTICAS DE RENDIMIENTO Y DE SELECCIÓN DE LA BOMBA



Características de rendimiento de la bomba



El Aumento de carga real ganado por el fluido a través de una bomba se puede determinar utilizando la siguiente ecuación:
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Donde 1 y 2 son las secciones de entrada y de salida de la bomba. El aumento de carga real ganado por el fluido a través de una bomba se puede determinar mediante un arreglo experimental que se muestra en la figura “disposición experimental característica para determinar el aumento de carga ganado por un fluido que circula a través de una bomba” .

La potencia ganada por el fluido esta dada por:
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y esta cantidad, expresada en términos de caballos de potencia tradicionalmente se denomina fuerza o potencia hidráulica

Además de la carga o potencia agregada al fluido, la eficiencia total esta dada por:
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Donde el denominador representa la potencia total aplicada al eje de la bomba y a menudo se denomina potencia al freno. La eficiencia total de la bomba es afectada por las perdidas hidráulicas en la bomba y además por las perdidas mecánicas en los cojinetes y los sellos. También puede haber algo de perdida de potencia debido a fuga del liquido entre la superficie trasera de la placa del cubo del impulsor y la caja, o a través de otros componentes de la bomba. Las características de rendimiento para una geometría y velocidad de operación de una bomba dadas se proporcionan en forma de gráficas de carga, eficiencia y potencia al freno contra el caudal como se muestra en la gráfica “características de operación para una bomba centrifuga de tamaño dado que opera a condiciones constantes de velocidad del impulsor.”.

Como se muestra en dicha gráfica la eficiencia es función del caudal y alcanza un valor máximo en un valor particular del caudal, comúnmente denominado caudal de diseño o capacidad de la bomba. Los puntos sobre las diversas curvas correspondientes a la eficiencia máxima se denotan como puntos de mejor eficiencia (PME).

Rendimiento volumétrico


El rendimiento volumétrico de la bomba es el cociente que se obtiene al dividir el caudal de liquido que comprime la bomba y el que teóricamente debería comprimir, conforme a su geometría y a sus dimensiones. Dicho en otros términos el rendimiento volumétrico expresa las fugas de liquido que hay en la bomba durante el proceso de compresión, fugas que se deben a las holguras existentes en el interior de los componentes de la bomba.

El rendimiento volumétrico es un factor de la bomba muy importante, pues a partir de él se puede analizar la capacidad de diseño y el estado de desgaste en que se encuentra una bomba, así si el rendimiento volumétrico disminuye con una alta tasa de cambio, el desgaste de sus elementos ya es demasiado.

El rendimiento volumétrico se ve afectado también por la presión del fluido hidráulico que se transporta y también por la temperatura del mismo.

Rendimiento mecánico



El rendimiento mecánico mide las perdidas de energía mecánica que se producen en la bomba, debidas al rozamiento y a la fricción de los mecanismos internos. Es esencial evitar la fricción y el rozamiento en el interior de la bomba, de tal manera que la energía que se comunica al eje de la bomba se invierta, en el mayor grado posible en aumentar la presión del liquido y no en vencer rozamientos y fricciones excesivas entre las partes mecánicas de la bomba.

En términos generales se puede afirmar que una bomba de bajo rendimiento mecánico es una bomba de desgaste acelerado, principalmente debido al rozamiento que sufre las partes en movimiento.

Rendimiento total o global



El rendimiento total o global es el producto de los rendimientos volumétrico y mecánico. Se llama total porque mide la eficiencia general de la bomba en su función de bombear liquido a presión, con el aporte mínimo de energía al eje de la bomba. Esta consideración, de aporte mínimo de energía a los mecanismos del avión, es general y muy importante en la ingeniería aeronáutica, debido a que toda la energía se obtiene de los motores.

Así pues el rendimiento total se expresa como el consumo de energía necesario para producir la presión hidráulica nominal del sistema.

Carga de Aspiración neta positiva (CANP)



Sobre el lado de aspiración de una bomba es común que haya bajas presiones, con la posibilidad concomitante de que dentro de la bomba ocurra cavitación. La cavitación ocurre cuando la presión del fluido en un punto dado es menor que la presión del vapor del liquido. Cuando ocurre esto se forman burbujas de vapor y este fenómeno puede provocar una reducción de la eficiencia, así como un daño estructural de la bomba. Para caracterizar el potencial de cavitación se usan la diferencia entre la carga total sobre el lado de aspiración, cerca de la entrada del impulsor de la bomba y la carga de presión de vapor del liquido.

La CANP se define como:

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Una curva CANP se muestra en la gráfica “curvas de rendimiento para una bomba centrifuga de dos etapas que opera a 3500 r.p.m. Datos para tres diámetros diferentes del impulsor”.

En realidad existen dos valores de CANP, el primero es la CANP requerida la cual es necesario mantener o exceder de modo que no ocurra cavitación. Debido a que en el ojo

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del impulsor se desarrollan presiones inferiores a las del tubo de aspiración, suele ser necesario determinar experimentalmente para una bomba dada la CANP requerida; el segundo valor de la CANP es la disponible que representa la carga que realmente ocurre para el sistema de flujo particular. El valor de la CANP disponible esta dado por:

Para este calculo se utilizan normalmente presiones absolutas debido a que la presión de vapor se especifica como una presión absoluta. Con base en la ecuación anterior se observa que a medida que aumenta la altura del impulsor de la bomba por arriba de la superficie del fluido, la CANP disponible disminuye. Por consiguiente existe algún valor critico de Z por arriba del cual la bomba no puede operar sin que ocurra cavitación.

Características del sistema.


Cada sistema de flujo posee su propia ecuación del sistema especifica. Si el flujo es laminar las perdidas por fricción son proporcionales a Q más que a Q2.
La ecuación de un sistema donde hay una bomba esta dada por:

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Donde hp es la carga real ganada por el fluido debido a la bomba y la sumatoria representa todas las perdidas por fricción en tubería y perdidas menores que ocurren en los accesorios y válvulas de la misma.

A efecto de elegir una bomba para una aplicación particular es necesario utilizar la curva del sistema, según es determinada por la ecuación del sistema y la curva de eficiencia de la bomba. Si ambas curvas se trazan sobre la misma gráfica como se muestra en la gráfica “Utilización de la curva del sistema y la curva de rendimiento de la bomba para obtener el punto de operación del sistema”.  Su intersección (punto A) representa el punto de operación del sistema. Es decir, este punto proporciona la carga y el caudal que satisfacen tanto la ecuación del sistema como la ecuación de la bomba. Idealmente se espera que el punto de operación esté próximo al mejor punto de eficiencia (MPE) de la bomba.

Las bombas se pueden disponer en serie o en paralelo a fin de obtener carga o capacidad de flujo adicionales. Cuando dos bombas se colocan en serie, la curva de eficiencia de la bomba resultante se obtiene al sumar las cargas del mismo caudal; y para dos bombas idénticas en paralelo, la curva de eficiencia combinada se obtiene al sumar los caudales a la misma carga.


Altura útil y manométrica



Se definen como altura útil de una bomba el llevado al ascenso vertical e que experimenta la superficie sobre el líquido, sea, del peso del agua hasta el depósito de almacenamiento.

Se designe a la altura humanamente que ha de una a bomba elevadora es la suma de la altura útil más las pérdidas de carga producidas en las cañerías de aspiración y de elevación

Tipos de pérdida



Las pérdidas de energía en el interior de la bomba son de tres especies:

Pérdida hidráulica:

debido a un frotamiento continuo para accidentales que el líquido encuentran al atravesar la bomba, para evitarlas se deben realizar los aforismos ya enunciados.

Pérdidas volumétricas:

Dividas a las fugaces que eventualmente se pueden producir al pasar el líquido a través de la bomba, las obras pueden ser diferencias de presiones, o que existe entre las partes fijas y móviles de la bomba. Otras fugas importantes son por creación de gases o vapores y ocupar un volumen concentrado en el interior de la bomba lo que provoca la disminución del caudal.

Pérdida mecánica:

debido a los frotamientos mecánicos en el las partes fijas y las partes de la bomba, como por ejemplo en el pernos y cojinetes, entre pistones y cilindros, etc.

Características del Funcionamiento de las Bombas a Velocidad Constante



El rendimiento de una bomba varía considerablemente dependiendo de las condiciones bajo las cuales esté operando. Por tanto, cuando se selecciona una bomba para una situación dada, es importante que la persona encargada de realizar dicha selección tenga información relativa el funcionamiento de las distintas bombas entre las que vaya a realizarse la elección. El fabricante de bombas suele tener información de este tipo, basada en ensayos de laboratorio, sobre su catálogo de bombas estándar. Sin embargo, algunas veces las bombas de gran capacidad se fabrican a medida. A menudo se fabrica y se ensaya un modelo de tal bomba entes de realizar el diseño final del prototipo de la bomba. Aun cuando algunas bombas centrífugas son accionadas por motores de velocidad variable, la forma mas frecuente de operación de las bombas es a velocidad constante.

La forma de los impulsores y de los alabes y su relación con la envolvente de la bomba dan lugar a variaciones en la intensidad de las pérdidas por choque, la fricción del fluido y la turbulencia. Dichos parámetros varía con la altura y el caudal, siendo responsables de las grandes modificaciones en las características de las bombas. La altura en vacío es la que desarrolla la bomba cuando no hay flujo. En el caso de las bombas centrífugas de flujo mixto, la altura en vacío es alrededor de un 10 por 100 mayor que la altura normal, que es la que corresponde al punto de máximo rendimiento, mientras que en el caso de las bombas de flujo axial la altura en vacío puede ser hasta tres veces la altura normal.

La elección de una bomba para condiciones determinadas dependerá de la velocidad de giro del motor que la acciona. Si la curva característica de una bomba para una velocidad de giro dada es conocida, la relación entre la altura y el caudal para velocidades de giro distintas puede deducirse a partir de ecuaciones.

Punto de Funcionamiento de una Bomba


La manera en la 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, mostramos las características de funcionamiento de la bomba (h respecto a Q) para una velocidad de operación dada, normalmente cercana a la velocidad que da el rendimiento máximo. También mostramos la curva característica del sistema (es decir, la altura de bombeo requerida respecto a Q). En este caso, la bomba está suministrando líquido a través de un sistema de tuberías con una altura estática ? z. La altura que la bomba debe desarrollar es igual a la elevación estática mas 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 son determinados por la intersección de las dos curvas.

Los valores específicos de h y Q determinados por esta intersección pueden ser o no ser los de máximo rendimiento. Si no lo son, significa que la bomba no es exactamente la adecuada para esas condiciones específicas.

El punto de funcionamiento o punto óptimo de una bomba solodinámica es el de la curva H - Q que corresponde a un rendimiento máximo. Cuanto mas empinada se la curva H - Q, mas significativo será el efecto de cualquier cambio de altura en el punto de funcionamiento.

Por ejemplo, una bomba con una curva H - Q empinada presentará un pequeño cambio de descarga pero la altura variará mucho si se desplaza el punto de funcionamiento, en cambio una bomba cuya curva H - Q sea plana, mostrará un gran cambio de capacidad pero la altura variará poco al desplazarse el punto de funcionamiento

Las curvas H - Q para las bombas centrífugas son sustancialmente planas, con tendencia a que el sedimento máximo se sitúe inmediatamente después de la capacidad media.
Las curvas H - Q para una bomba de flujo axial es aún más empinada, con su punto de demanda en la descarga nula y su curva de potencia es decreciente.

Cavitación en las Bombas



Un factor importante para el funcionamiento satisfactorio de una bomba es evitar la cavitación, tanto para obtener un buen rendimiento como para evitar daños en el impulsor. Cuando un líquido pasa por el impulsor de una bomba, se produce un cambio de presión. Si la presión absoluta de un líquido cae por debajo de s presión de vapor, se producirá cavitación. Las zonas de vaporización obstruyen el flujo limitando la capacidad de la bomba. Cuando el fluido avanza a una zona de mayor presión, las burbujas colapsan y su implosión puede producir un picado del impulsor la cavitación suele producirse con mas frecuencia cerca de la salida (periferia) de los impulsores de flujo radial y mixto, donde se alcanzan las velocidades mayores. También puede aparecer en la aspiración del impulsor, donde las presiones son menores. En el caso de las bombas de flujo axial, l parte mas vulnerable a la cavitación es el extremo de los alabes.

Para las bombas se define el parámetro de cavitación como
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para evitar que se produzca cavitación, la bomba debe funcionar de manera que ? sea mayor que ? c. Esto puede conseguirse seleccionando el tipo, tamaño de bomba y la velocidad de funcionamiento adecuados, y situando la bomba en el punto y a la elevación correcta dentro del sistema.

La expresión para ? indica que ? tenderá a ser pequeño (por lo que existirá la posibilidad de cavitación) en las siguientes situaciones: a) grandes alturas de bombeo; b) presión atmosférica; c) grandes valores de ze, es decir, cuando la bomba se encuentra a una elevación relativamente grande comparada con la elevación de la superficie del agua del depósito; e)valores grandes de presión de vapor, es decir, altas temperaturas y /o bombeo de líquidos muy volátiles como gasolina.

La cavitación ocurre cuando la presión absoluta dentro de un impulsor cae por debajo de la presión del vapor del líquido y se forman burbujas de vapor. Estos se contraen mas adelante en los alabes del impulsor cuando llegan a una región de dispersión mas alta.

La (MPS)r mínima para una capacidad y velocidad dadas se define como la diferencia entre la carga absoluta de succión y la presión de vapor del líquido bombeado a la temperatura de bombeo y que es necesario para evitar la cavitación.
La cavitación de la bomba se nota cuando hay uno o mas de las siguientes señales: ruido, vibración, caída en la curva de capacidad de carga y eficiencia, con el paso del tiempo, por los daños en el impulsor por picaduras y erosión. Como todas estas señales son inexactas, se hizo necesario aplicar ciertas reglas básicas para establecer cierta uniformidad en la detección de la cavitación.





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