Post on 30-Apr-2020
Bombas Dinámicas
3
BOMBAS
Desplazamiento Positivo
Reciprocantes
Pistón, Embolo,
Diafragma
Rotatorias
Engranajes, Lóbulos, Tornillo, Paletas
Dinámicas
Giratorias o Rotodinámicas
Flujo radial, Flujo mixto, Flujo axial
Especiales
Eyectores, Electro
magnéticas , etc.
Bombas giratorias o rotodinámicas
Flujo radial (centrífuga) Flujo mixto (hélico centrífugas)
Flujo axial (hélice)
Bombas Centrífugas
3.1
• Bomba más usada en la industria química
• Bombea líquidos en un amplio rango de propiedades y suspensiones con un alto contenido en sólidos
• Se puede construir en un amplio rango de materiales resistentes a la corrosión
• Puede acoplarse directamente a un motor eléctrico y dar una alta velocidad de flujo para su tamaño
• Se emplean en la mayoría de los casos excepto cuando se requiere vencer una gran carga que es cuando se usan bombas de desplazamiento positivo.
Generalidades
El fluido es acelerado por acción de
la fuerza centrífuga, transmitiéndole
energía cinética, la cual se convierte
en energía de presión.
Principio de funcionamiento
voluta
carcasa
rotor
boca de
descarga
Partes de una bomba centrífuga
boca de
succión
1. Boca de succión: constituye la entrada del fluido y la guía del mismo hacia el ojo (centro del rotor)
Partes de una bomba centrífuga
2. Rotor o rodete: consiste de una serie de álabes curvos que aceleran el líquido desde el ojo del rotor a la perisferia.
El rotor puede ser:
Abierto (puede trabajar con suspensiones)
Semicerrado Cerrado (más eficiente)
Pueden ser de:
succión simple succión doble
Los álabes pueden ser:
• curvados hacia atrás (más comunes)
• radiales
• curvados hacia delante
voluta
carcasa
3. Carcasa:
Sistema que recibe al fluido acelerado que sale del rotor, reduce su velocidad y transforma la energía cinética en energía de presión ya sea por medio de:
a) voluta
cámara cuya sección
transversal aumenta
gradual-mente con la
salida tangencial
b) Conjunto de paletas o álabes difusores
fijos formando un anillo difusor
(da un cambio más gradual en dirección al
fluido y una conversión más eficiente de
energía cinética en energía de presión con
respecto a la obtenida con el tipo voluta)
4. Boca de descarga:
Abertura por donde sale el fluido.
Multietapa
¿Cómo hacer que el rotor gire
dentro de la carcasa?
Rotor acoplado a un eje que atraviesa
la carcasa, y el eje es accionado por un
motor.
Rotor inmantado, movido por la atracciíon
de otro imán exterior que a su vez es
accionado por un motor.
5. Eje:
La energía mecánica se transfiere del motor al
rodete de la bomba por un eje que penetra la
carcasa.
Se requiere de otros dispositivos mecánicos:
manchones de acoplamiento, rodamientos,
etc…
En el montaje es fundamental la alineación del
eje motriz (motor) y el eje del rodete.
CASO: EJE ACCIONADO POR MOTOR
6. Sellos:
Dispositivos para evitar la fuga del fluido.
“Una bomba es sólo tan buena como lo es su sello”
- empaquetadura
- sellos mecánicos
Pérdida de fluido
Sin pérdida de fluido pero rozamiento intolerable
6. Sellos:
Dispositivos para evitar la fuga del fluido.
“Una bomba es sólo tan buena como lo es su sello”
- empaquetadura
- sellos mecánicos
Pérdida de fluido
Sin pérdida de fluido pero rozamiento intolerable
Menor pérdida de fluido pero gran rozamiento
Solución con empaquetadura
Solución con empaquetadura
Solución con empaquetadura
Sello mecánico
El sello mecánico es un dispositivo que forma un sello deslizante entre una parte estacionaria y otra en rotación. Las caras de rozamiento presionan una contra la otra en dirección axial. Las fugas pueden ser reducidas a niveles muy bajos con bajos costos de mantenimiento.
Las ventajas respecto a la empaquetadura tradicional son: • Fugas mínimas o nulas • Menor fricción y consecuentemente mayor
eficiencia energética • Eliminación de desgaste del eje • Reducción de costos de mantenimiento • Posibilidad de sellar altas presiones y fluidos
más corrosivos • Existe una gran variedad de diseños que se
ajustan a las particularidades de prácticamente todos los tipos de bombas y sus aplicaciones.
Un sello mecánico tiene tres conjuntos de partes básicos:
• Sello primario: una cara rotativa y otra estacionaria (perfectamente planas) que forman el sello primario
• Un conjunto de sellos secundarios tales como o-rings, v-rings, etc…
• Diversos componentes mecánicos (anillos, collarines, anillos de compresión, resortes, fuelles)
Solución con sello mecánico
Parte estacionaria (va fijada a la carcasa)
Parte rotativa (va fijada al eje)
O-ring Anillo estacionario
Superficie de sello
Anillo rotativo (libre)
Superficie de sello
O-ring
resorte
SELLO SIMPLE
“mechanical seal housing”
parte estacionaria
(fijada a la carcasa)
parte móvil
(fijada al eje)
sello primario sello secundario
sello secundario
sello primario sello secundario
sello secundario
Existe una gran variedad de tipos de sellos mecánicos • varias configuraciones • varios materiales
Materiales usados para en las superficies que forman el sello primario
• Carbon – Inoxidable • Carbon – Carburo de Silicio • Carbon – Carburo de Tungsteno • Carburo de Silicio – Carburo de Silicio • Carburo de Tungsteno – Carburo de Tungsteno • otros
Materiales usados para sello secundario NBR - EPDM - FPM - PTFE - MVQ - CR
Las ventajas respecto a la empaquetadura tradicional son: • Fugas mínimas o nulas • Menor fricción y consecuentemente mayor
eficiencia energética • Eliminación de desgaste del eje • Reducción de costos de mantenimiento • Posibilidad de sellar altas presiones y fluidos
más corrosivos • Existe una gran variedad de diseños que se
ajustan a las particularidades de prácticamente todos los tipos de bombas y sus aplicaciones.
La selección del tipo de sello está influenciada por varias variables:
Diámetro del eje y velocidad
Comportamiento del fluido a bombear: características reológicas, estabilidad térmica, reactividad (inflamable? explosivo? corrosivo?), toxicidad, etc…
Presencia de sólidos: tamaño de partículas, abrasividad, densidad, etc…
Temperatura y presión de trabajo, máxima y mínima
Servicios: fluido de enfriamiento, presión, temperatura, etc..
CASO: ACCIONAMIENTO MAGNETICO
7. Accionamiento magnético
• El accionamiento magnético es un sistema de transmisión de
potencia de un motor a un eje por medio de fuerzas magnéticas.
• Dicha fuerzas se logran mediante un par de imanes permanentes:
• Uno unido al eje de mando (imán conductor).
• Otro unido al impulsor de la bomba (imán conducido).
http://www.drotec.com.ar/folletos_html/caracteristicas-generales-bombas-acople-magnetico.html
• Las fuerzas magnéticas de atracción y repulsión que existen entre
ambos imanes son lo suficientemente fuertes como para transmitir
la potencia del motor al impulsor de la bomba.
• La posición relativa de los imanes no varía mientras el conjunto
rota, de manera que la velocidad de rotación del impulsor de la
bomba es exactamente la misma que la del motor que la acciona
(no hay deslizamiento).
http://www.drotec.com.ar/folletos_html/caracteristicas-generales-bombas-acople-magnetico.html
Características
• La carcasa de la bomba no necesita orificios para el pasaje del
eje y por lo tanto, no se necesitan sellos para controlar las
pérdidas de fluido.
• Diseño simple, con pocas piezas.
• Son herméticas, sin pérdidas, no se producen emisiones. Por lo
tanto son adecuadas para: fluidos corrosivos, tóxicos,
inflamables, contaminantes.
• Fácil montaje, no necesita tareas de alineación.
• Son adecuadas para fluidos limpios (sin sólidos).
• No se debe trabajar en seco (evitar altas temperaturas). Debe
haber un flujo de circulación de caudal interno para lubricar y
disipar el calor generado por la fricción entre bujes y ejes.
8. Motor:
- motor eléctrico
- motor de combustión interna
- motor a turbina de vapor
Motor eléctrico de inducción
El motor eléctrico de inducción es el que más se
emplea en las plantas de procesos.
Sus partes básicas son un rotor cilíndrico y un
estator que rodea al rotor.
El estator está bobinado con un conductor de tal
manera que al pasar la corriente eléctrica alterna
se genera un campo magnético giratorio.
La velocidad angular del campo giratorio en el
estator (velocidad sincrónica) es igual a:
60 f rpm = n
donde:
f es la frecuencia de la corriente alterna expresada
en Hz (en nuestro país, f = 50)
n es el número de pares de polos (que depende
del tipo de bobinado del estator) (n = 1,2,etc…)
El rotor también tiene conductores en los que se
inducen voltajes y campos magnéticos por la
acción del campo magnético giratorio del estator.
Como consecuencia de la interacción de los
campos magnéticos del rotor y del estator, el rotor
gira.
La velocidad a la que gira el rotor es algo inferior a
la velocidad sincrónica. La diferencia entre ambas
velocidades se llama deslizamiento.
El torque que desarrolla el motor guarda relación
con el deslizamiento.
Curvas típicas Velocidad vs Torque, para distintos tipos de motores (tomada de Perry 7a, pág 29-5)
Para accionar bombas se utilizan
motores de diseños A,B,E
Curvas típicas Velocidad vs Torque, para distintos tipos de motores (tomada de Perry 7a, pág 29-5)
Para accionar bombas se utilizan
motores de diseños A,B,E
Cuando el motor gira en
vacío (sin hacer fuerza), el
torque es prácticamente 0 y
el deslizamiento también
Curvas típicas Velocidad vs Torque, para distintos tipos de motores (tomada de Perry 7a, pág 29-5)
En este ejemplo, el
deslizamiento para
motores tipo A, B, y E
es aprox. 3 % Cuando el motor entrega su
potencia nominal, el
deslizamiento alcanza
algunos puntos porcentuales.
La potencia entregada por el motor es:
P = A V I f e
donde
A = 1,713 para motores trifásicos, A = 1
para motores monofásicos
V = voltaje aplicado
I = intensidad de corriente consumida
f = factor de potencia (cos φ)
e = eficiencia del motor
Curva Característica de la bomba
Altura
(H)
Caudal (Q)
Para una bomba dada, la altura
total (H) es función del caudal (Q)
Para construir una teoría elemental se considera:
flujo unidimensional
un campo de velocidades idealizado a través del rotor
que todos los flujos son uniformes en cada sección y que entran y salen del rotor tangentes a los álabes
estado estacionario
H virtual (teórico) de la Bomba Centrífuga
τ torque
F F F
F
F F
F
F
F
ω
Potencia W =
El torque que actúa sobre un cuerpo es igual a la
la velocidad con la que varía su momento angular.
A su vez, el momento angular de un sistema en rotación es:
dMsistemaM
uxrangularmomento
donde
r vector posición de la masa dM respecto al eje
u vector velocidad de esa masa
u
ω
α
elemento de fluido
(gota) de masa dm
r
θ
= dm (r u cos θ) = dm (r u sen α) = dm ( r X u) momento angular
(de la gota)
u1
r1 θ1
momento angular (a la entrada) = dm r1 u1 cos θ1
u2
r2
θ2
momento angular (a la salida) = dm r2 u2 cos θ2
momento angular (a la entrada) = dm r1 u1 cos θ1
cambio de momento angular = dm (r2 u2 cos θ2 - r1 u1 cos θ1)
u1
r1 θ1 = 90º
cambio de momento angular = dm (r2 u2 cos θ2 - r1 u1 cos θ1)
Si el fluido entra al impulsor con una velocidad absoluta puramente radial…
…no tiene momento angular a la entrada (cos θ1 = 0)
cambio de momento angular = dm (r2 u2 cos θ2 - r1 u1 cos θ1)
cambio de momento angular del elemento de fluido = dm r2 u2 cos θ2 (gota) de masa dm
El torque actuando sobre ese elemento de fluido es la velocidad de cambio del momento angular =
d = (Q/V) dm r2 u2 cos θ2
El tiempo que demora ese elemento de fluido en sufrir ese
cambio de momento angular es el tiempo en que demora
el fluido en pasar desde la entrada a la salida de la bomba
= (volumen del interior de la bomba) / (caudal) = V / Q
El torque actuando sobre todo el fluido =
= (Q/V) M r2 u2 cos θ2= Q ρ r2 u2 cos θ2
(simetría radial, todos los elementos de fluido sufren los mismos cambios entre entrada y salida)
A su vez, la potencia al freno, BHP =
Por otro parte, si H es la altura desarrollada por la
bomba entonces la potencia hidráulica,
LHP = Q g H
= Q ρ r2 u2 cos θ2
BHP = Q ρ r2 u2 cos θ2
Q g H = Q ω u2 r2 cos θ2
Si no hay pérdidas: LHP = BHP
De donde despejamos H (la altura virtual desarrollada por la bomba):
ω r2 u2 cos θ2 H = g
, r2 , g son conocidos,
u2, q2 se expresan en términos de
cantidades conocidas (Q, b, b2)
(como se explica en las siguientes diapositivas)
donde:
ω r2 u2 cos θ2 H = g
us
u
ur
ω
r
θ us = u cos θ
ur = u sen θ
ut
u
urb
ω
r
θ β ut = r
ut = r
u urb
θ β
ur
u cos θ = ω r – urb cos β
ur = velocidad radial = u sen θ = urb sen β
r
ur Q = (2π r b) ur
ut = r
u urb
θ
u cos θ = ω r – urb cos β
β
ur = velocidad radial = u sen θ = urb sen β
ur
Q = (2π r b) ur ur = Q / (2π r b)
urb sen β = Q / (2π r b) urb = Q / (2π r b sen β)
Q u cos θ = ω r - 2π r b tan β
H no depende de !!!
El ∆P que da la bomba, es
directamente proporcional a
… y como ∆P = g H
… pero vimos que ω u2 r2 cos θ2 H = g
Reemplazando… r2
2 ω2 Q ω H = - g 2π b g tan β2
Q u cos θ = ω r - 2π r b tan β
Dado que el ∆P es directamente proporcional a la
densidad del fluido, si la bomba centrífuga está
llena de aire el ∆P que genera es muy pequeño.
Para que la bomba pueda empezar a operar
aspirando un líquido desde un nivel inferior al de
succión es necesario “cebarla” (esto es, desalojar
el aire de la cañería de succión y de la propia
bomba llenándola con el líquido a bombear).
El ∆P que da la bomba, es
directamente proporcional a
zs
Cañerías de admisión
Bomba debajo del tanque…
en general no hay problema
con el cebado
zs
Válvula de pie
con colector
Cañerías de succión
Bomba encima del tanque…
riesgos de que se descebe,
dificultad para cebar…
2
222
tggb2
Q
g
rH
b
A B
Si = constante:
QBAH
Véase que el signo de B depende del signo
de tg β2, y éste depende del ángulo β2
u2
r2
θ2
urb2
β2 ut = r2
- álabe curvo hacia atrás,
0 < b2 < /2
(y entonces tg b2 > 0)
- álabe curvo hacia adelante,
/2 < b2 <
(y entonces tg b2 < 0)
Altura
(H)
Caudal (Q)
Caso álabe curvado
hacia atrás (el más común) 0 < b2 < /2 y entonces tg b2 > 0, por lo que B > 0
Curva teórica para = constante, H = A – B Q
b < 90
b = 90
b > 90 álabe curvado hacia adelante:inestable,
puede originar oscilaciones
de bombeo
Efecto teórico del ángulo de salida del
álabe en la curva característica: H vs Q
álabe curvado
hacia atrás
álabe radial
álabe curvado
hacia adelante
Altura
(H)
Caudal (Q)
Bomba con álabes curvados hacia atrás y N cte.
Curvas Características de Bombas Centrífugas
CURVA
TEORICA
Altura
(H)
Caudal (Q)
Bomba con álabes curvados hacia atrás y N cte.
Curvas Características de Bombas Centrífugas
CURVA
TEORICA Entre varias cosas que
supusimos para llegar a esta
«recta», una importante fue
que no había «pérdidas» de
energía dentro de la bomba y
que LHP = BHP
Si no hay pérdidas: LHP = BHP , y entonces:
ω u2 r2 cos θ2 H = = A – B Q g
… y que BHP = Q ω u2 r2 cos θ2
Vimos que: LHP = Q g H
Si hay pérdidas: LHP = BHP – [pérdidas]
ω u2 r2 cos θ2 [pérdidas] H = - g Q g
H = A – B Q – f (Q)
Bomba con álabes curvados hacia atrás y N cte.
Curvas Características de Bombas Centrífugas
Altura
(H)
Caudal (Q)
CURVA
TEORICA
Pérdida debida a
recirculación
Pérdida debida a la
fricción de flujo
interno
Pérdida de “impacto” (debido
a la falta de ajuste entre los
ángulos de las hojas del
impulsor y la dirección del
flujo de entrada)
CURVA REAL
Bomba con álabes curvados hacia atrás y N cte.
Curvas Características de Bombas Centrífugas
Altura
(H)
Caudal (Q)
CURVA
TEORICA
CURVA REAL
Para N cte.
Curvas Características de Bombas Centrífugas