Bombas y Ventiladores

Fundamentos teóricos y prácticos¿Cómo podemos aportar a la EE con estos equipos?

Índice1. Descripción.

2. Clasificación.

3. Curvas Características.

4. Pérdidas de Carga en Sistemas.

5. Tipos de Arreglos.

6. Problemas de operación.

7. Eficiencia Energética en estos equipos.

8. Selección de bomba.

1. Descripción.

Bomba : Turbo máquina.

Las bombas transforman energía mecánica en energía cinética, generando presión y velocidad en el “líquido” que maneja.

Ventilador: Turbo máquina.

Los ventiladores son equipos equivalentes a las bombas, salvo que el fluido de trabajo es un gas. Estos equipos se diferencian de los compresores y turbo compresores solo por las presiones de descarga.

1. Descripción.

Principio de funcionamiento Zona baja presión, responsable de la succión

2. Clasificación.

Las bombas se clasifican en dos grandes grupos, en función de su principio de funcionamiento.

• Bombas de desplazamiento positivo: Estas pueden ser alternativas o rotativas, su principal característica es que mantienen un caudal constante para cualquier presión.

•Bombas Centrífugas: Estas bombas son exclusivamente rotativas, son mas flexibles a los cambios del sistema que las de desplazamiento positivo y por lo tanto son las muy utilizadas en la industria. La presión y el caudal que entregan varía en función de cada bomba. Pueden ser de flujo axial, radial o mixto.

2. Clasificación.

2. Clasificación.

Los ventiladores se clasifican de la siguiente manera:

De hélice o helicoidales El flujo se mueve paralelo a la flecha del ventilador. Utilizados para altos caudales y bajas presiones estáticas (25 mm.c.a)

•Axiales o tipo túnel También mueven el flujo paralelo a la flecha del ventilador, pero estos pueden invertir la dirección de giro y por lo tanto la dirección del flujo. Trabajan con presiones medias (75 a 100 mm.c.a).

•Centrífugos Comprende un rotor dentro de una carcasa, similar a una bomba. Trabajan con presiones más altas (mayores a 100 mm.c.a)

2. Clasificación.

Diferentes usos según tipo de bomba.

- Leche: Se utilizan bombas de tornillos, sin agitación y en dirección rectilínea.

- Acido sulfúrico: Se utilizan bombas de plomo, porcelana y resinas artificiales.

- Petróleo: Para elevación de petróleo en barcos se usan bombas de tornillo.

- Vino, cerveza: Se usan bombas de membrana, actualmente a menudo se prefieren bombas de porcelana o vidrio.

- Agua limpia: Generalmente bombas centrífugas, pero para bajos caudales y altas presiones bombas de émbolo.

3. Curvas Características.

Las curvas características describen el comportamiento de las equipos en función del caudal de operación.

Cada curva es exclusiva para cada bomba o ventilador, y describeúnicamente el comportamiento, eficiencia y consumo de potencia de ese equipo en particular.

Existen curvas que muestran la eficiencia, el consumo de potencia y la presión de descarga, ya sea de una bomba o un ventilador. Con estas segeneran la curvas de iso potencia e iso eficiencia, que son la que entregan generalmente los proveedores.

Las curvas son diferentes entre bombas centrífugas y de desplazamiento positivo.

3. Curvas Características.

Bombas Centrífugas: Flujo Radial

3. Curvas Características.

Bombas Centrífugas: Flujo Mixto

3. Curvas Características.

Bombas Centrífugas: Flujo Axial

3. Curvas Características.

Bombas Centrífugas

3. Curvas Características.

Bombas de Desplazamiento positivo

Q

H El límite es la potencia del motor eléctrico. Comportamiento teórico

Comportamiento real, debido a recirculaciones al interior de la bomba

3. Curvas Características.

Ventiladores

Soplador centrífugo

Ventilador de túnel

Ventilador axial

3. Curvas Características.

Ventiladores

3. Curvas Características.

Ventiladores

4. Pérdidas de carga.

Las pérdidas de carga son pérdidas de energía al interior de los ductos como consecuencia de dos factores:

• La fricción del fluido con las paredes del ducto. Esto corresponde a las pérdidas de carga regulares.

• La existencia de singularidades en el trayecto, como codos, tees, etc. Estas corresponden a las pérdidas de carga singulares.

Las pérdidas de carga totales corresponden a la suma de las pérdidas regulares y singulares.

4. Pérdidas de carga.

Pérdidas regulares

Los factores que influyen en estas pérdidas son:

• Viscosidad del fluido.

• Velocidad del fluido dentro del ducto.

• Rugosidad del ducto.

• Largo y diámetro del ducto.

Las pérdidas de carga regulares se calculan de la siguiente forma:

ReV Dρ

µ

⋅ ⋅=

Número de Reynolds

[ ]2

_2

L VPérdidas regulares f Pa

D

ρ ⋅= ⋅ ⋅

Factor de fricción, se obtiene con el diagrama de Moody

4. Pérdidas de carga.

Diagrama de Moody

Rugosidad relativa : rugosidad / diámetro

Ducto de acero, diámetro 25 [mm]; rugosidad absoluta; 0,0024 [mm], Caudal de agua: 5 [m3/h];

Viscosidad: 0,001 [Kg/m-s]; Temperatura: 20[ºC]; Densidad: 996 [kg/s].

Re = 70.452 - Rugosidad Relativa: 0,096

f

4. Pérdidas de carga.

Rugosidades absolutas para diferentes materiales.

4. Pérdidas de carga.

Pérdidas singulares

Las pérdidas singulares las imponen los diferentes accesorios presentes en una línea, estos son válvulas, reducciones, tees, codos, etc. Cada uno de ellos tiene un “K”, factor que determina cual es su aporte a la pérdida de carga. Estas pérdidas se calculan de la siguiente forma:

Los valores de K están tabulados por diferentes fabricantes, como se muestra en la siguiente tabla.

2

_ sin2

VPérdidas gulares K

ρ ⋅= ⋅∑

4. Pérdidas de carga.

Pérdidas singulares

4. Pérdidas de carga.

Para el caso de los ductos de aire, las pérdidas de carga pueden calcularse de la misma forma que para ductos de agua solo para velocidades bajas.

Esto debido a que para altas velocidades (MAC >= 0,3), la compresibilidad del aire toma un papel determinante y el cálculo se torna mucho más complicado.

4. Pérdidas de carga.

Curva de sistema

La curva del sistema representa todas las restricciones que tendrá que superar el fluido hasta la o las aplicaciones deseadas.

La curva grafica la “altura estática de elevación” la cual corresponde a la presión buscada o necesaria, y además grafica las pérdidas de carga totales en el sistema, todo esto en función del caudal.

La ecuación base de la curva es la siguiente:

_ _Sistema Altura estática Pérdidas totales= +

4. Pérdidas de carga.

Curva de sistema

La curva del sistema representa la altura estática y dinámica. Existe una relación cuadrática entre las pérdidas y el caudal.

H

Q

H

Q

H0

5. Tipos de arreglos.

Según los requerimientos de los diferentes proceso, es usual en la industria el encontrar arreglos de estos equipos, estos pueden ser:

• En serie

• En paralelo.

5. Tipos de arreglos.Arreglos en Serie

H1

Q

H

Al instalar dos o más equipos en serie, lo que se busca es aumentar la presión de descarga al doble.

H2

H1

1 2

4

A

B

Q

H

H2

Q

H

Sumando las 2 curvas obtenemos =>

5. Tipos de arreglos.Arreglos en Paralelo

Ho

En paralelo: En este caso lo que se duplica es el caudal impulsado ya sea por la bomba o ventilador

Ho

Sumando los caudales de ambas curvas obtenemos =>Q1

Q1

H1

H1

Ho

Curva del conjunto

H1

Q1 2*Q1

5. Tipos de arreglos.

Punto de Trabajo

H

Q

h

hb

q

Curva de carga de la bomba

Curva de carga del sistema

5. Tipos de arreglos.

Punto de Trabajo; Bombas en serie

Ho

Ho

1 2

4

A

B

Q

H

5. Tipos de arreglos.

Punto de Trabajo; Bombas en paralelo

Ho

Curva del conjunto

Curva de carga del sistema

A B

1 2 3

6. Problemas de operación.

Cavitación en bombas.

La cavitación es la “evaporación” del fluido en la succión de la bomba. Esto se debe a que el vació formado en esta zona es menor a la presión de vapor del líquido bombeado.

Se evidencia por:

- Inestabilidades en el sistema.

- Pérdida de presión en la descarga de la bomba.

- Ruidos y vibraciones inusuales.

6. Problemas de operación.

Cavitación en bombas.

NPSH: NET POSITIVE SUCCION HEAD; Altura neta de succión positivo.

Existen 2 tipos de NPSH, el requerido y el disponible.

El requerido es entregado por el fabricante y depende del modo constructivo de la bomba.

El disponible se refiere a la instalación, guarda relación con la altura a la cual se encuentra la bomba por sobre el lugar de succión.

6. Problemas de operación.

Cavitación en bombas.

6. Problemas de operación.

Cavitación en bombas.

6. Problemas de operación.

Recirculación al estrangular.

H H

Q Q

Estrangulación a la descarga

Zona de inestabilidad y recirculación

6. Problemas de operación.Surge en ventiladores.

Zona de Surge; en pequeñas potencias y bajas rpm, el ventilador puede trabajar en esta zona, pero con vibraciones. A altas rpm estas vibraciones son catastróficas.

7. Eficiencia energética en estos equipos.

Estrangular válvulas, variar frecuencia o cambiar rodete.

H

Q

Estrangular a la descarga.

Variar Frecuencia

Cambiar rodete

7. Eficiencia energética en estos equipos.Estrangular válvulas, variar frecuencia o cambiar rodete.

Q

Al estrangular la descarga estamos desperdiciando presión.

Al cambiar rodete se reduce la potencia consumida, tal como se muestra en la figura.

El variar frecuencia es equivalente al cambio de rodete, la diferencia principal es la facultad de reestablecer el punto de operación inicial fácilmente.

0 0

2

0 0

3

0 0

Q n

Q n

H n

H n

P n

P n

=

=

=

Leyes de afinidad

7. Eficiencia energética en estos equipos.Ejemplo ahorro Energía.

Q

Punto de operación:Q = 26 [m3/h]H = 35 [m]P = 3.8 [kW]

Caudal deseado Q2 = 15 [m3/h]

Esta línea nos indica el punto inicial para trabajar con las leyes de afinidad:

Q = 22 [m3/h]H = 37 [m]P = 3.5 [kW]

Con las leyes de afinidad obtenemos:

H = 17 [m]P = 1.12 [kW]Q = 15 [m3/h]

2int sec

2

2

2

20

26

er ciónafinidad

deseado

afinidad

HH Q

Q

H Q

= ⋅

=

8. Selección de Equipos.

( )1

4

34

22YM

n V

yσ π

⋅= ⋅ ⋅

�

y H g≈ ⋅

. . .n r p s=3V m s=�

8. Selección de bomba.

Bombas Centrífugas – Tipos de rodetes.

8. Selección de bomba.

Que se debe informar al proveedor.

Es importante especificar:- Caudal.- Presión.- Temperatura fluido.- Altura sobre el nivel del mar.- Tipo de fluido.- Material sólido presente en el flujo.

Muchas Gracias

Rodrigo Balderrama

JHG Ingeniería.www.jhg.cl