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BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles

1

Departamento:

Area:

Ingeniería Eléctrica y Energética

Máquinas y Motores Térmicos

CARLOS J RENEDO [email protected]

INMACULADA FERNANDEZ DIEGO [email protected]

JUAN CARCEDO HAYA [email protected]

FELIX ORTIZ FERNANDEZ [email protected]

Las trasparencias son el material de apoyo del profesorpara impartir la clase. No son apuntes de la asignatura.Al alumno le pueden servir como guía para recopilarinformación (libros, …) y elaborar sus propios apuntes

En esta presentación se incluye un listado de problemasen el orden en el que se pueden resolver siguiendo eldesarrollo de la teoría. Es trabajo del alumnoresolverlos y comprobar la solución

BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles

2

1.1.- Introducción a las Máquinas Hidráulicas

1.2.- Bombas Hidráulicas

1.3.- Turbinas Hidráulicas

1.1.1.- Generalidades de las Bombas Hidráulicas

1.2.2.- Bombas Centrífugas

1.2.3.- Bombas Volumétricas

BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles 1.2.- Bombas Hidráulicas


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Potencias, Rendimientos y Pérdidas

Cavitación

Golpe de Ariete

Catálogos de Fabricantes

Leyes de Semejanza

Número Específico de Revoluciones

Influencia del Número de Alabes

Grado de Reacción del Rodete

Punto de Funcionamiento

Selección de una Bomba

Características

Campos de Aplicación

Partes

Rodetes

La Voluta

Clasificación

Ec. De Euler

Curva Característica

Cebado

Instalación

Acoplamiento



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• El fluido las atraviesa de forma continua• Suministran caudales altos• Suministran presiones moderadas• Su rango de caudal de trabajo es amplio

• Son de construcción sencilla, no requieren tolerancias estrictas• Son compactas y de poco peso• No tienen válvulas, no tienen movimientos alternativos

silenciosas y con pocas vibraciones

• Son de fácil mantenimiento y de vida prolongada (10 años sin mantenimientopueden reducir el rendimiento un 12.5%)

• Tiene bajos rendimientos con caudales pequeños• No se autoceban (no aspiran cuando tienen aire en su interior)

Características:



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• Circuitos de bombeo: industriales, redes desuministro urbano, sistemas de riego, …

• Generación de electricidad: centraleshidroeléctricas, centrales térmicas, …

• Sistemas de aire acondicionado y calefacción

• Circuitos de refrigeración en automoción

• Electrodomésticos

• Sistemas de achique

• Grupos contraincendios• …

Campos de Aplicación



6

• El rodete o impulsor• Aspiración• Carcasa o voluta, puede incluir un difusor (sistema de álabes fijos)• Empaquetaduras y cierres mecánicos

Las Partes son (I):



7


Las Partes son (I):Corona difusora

Rodete



8


Las Partes son (I):Corona difusora

Rodete

Rotor

Difusor

Rotor

Difusor



9

Aspiración

Alabe directorVoluta

Rodete

Voluta:

En ella se transforma laenergía cinética del fluido enenergía de presión

Recoger el fluido y lo envíahacia la voluta sin choquesni turbulencias (opcionales)

Alabes directores:

El líquido es aspirado por elojo del rodete

Comunica energía cinética alfluido. El flujo pasa de flujoaxial a radial

Rodete:

Aspiración:

Las Partes son (II):

Alabe



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Cerrados: el habitual, mejor rendimiento,posibles problemas de obstrucción

Semiabiertos: sin problemas deobstrucción, se emplean con fluidos“sucios”

Abiertos: sin problemas de obstrucción,muy malos rendimientos hidráulicos por“fugas internas”

Doble aspiración: compensa esfuerzosaxiales, para grandes caudales

Los Rodetes (I):



11

Cerrados:Si se emplean con fluidos sucios suelen tenersólo dos álabes de cantos redondeados

Los Rodetes (II):

Manual de Bombeo de Ag. Residuales

Grundfos Aguas Residuales



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Abiertos:Existen algunos diseños especiales; por ejemplo, rodetes para el trasiegode pescado desde la bodega del barco a la planta de tratamiento.

Los Rodetes (III):



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La Voluta:

Espiral Doble Difusor

Reduce los esfuerzos radiales



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La dirección del flujo• Radiales• Axiales• Radioaxial o mixta

Posición del eje• Horizontal• Vertical• Inclinado

Flujo a la entrada• Aspiración simple• Aspiración doble

Número de rodetes• Una etapa• Multicelulares,

multifase o multietapa

Separación bomba-motor• Rotor seco (mejor rendimiento)• Rotor húmedo (menos ruido, menos

mantenimiento, sólo para circuitos cerrados)

Fo

rma

del

ro

det

e

Clasificación por (I):



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Presión suministrada• Baja• Media• Alta

Ubicación• Sumergible• Pozo profundo

Construcción• Partida

Clasificación por (II):



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Clasificación por (III):

Bombas sobre bancada

Ventajas:

• Es adaptable a diversos motores y acoplamientos

Desventajas:

• Requiere gran espacio (acoplamiento)

• Necesita alineación entre motor y bomba

• Elevado coste (bancada, acoplamiento y protección)

Bombas Monobloc

Ventajas:

• Necesita un poco espacio, es de construcción compacta

• No necesita alineación entre motor y bomba

• No necesita bancada, acoplamiento ni protección

Desventajas:

• La potencia máxima está limitada a unos 45 kW (por el motor eléctrico)



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Clasificación por (IV):

Bombas inline

Ventajas:

• Requiere poco espacio y es de instalación sencilla, ya que va instalada en la propia tubería


• No se necesita bancada, acoplamiento ni protección

Desventajas:

• La potencia máxima es de unos 45 kW (por el motor eléctrico)

Bombas multietapa

Ventajas:

• Pueden disponer de una descarga secundariadesde una de las etapas (a una presión intermedia)

Desventajas:

• Requiere de instalación especial para altatemperatura, con patas a la altura del eje

• Peligro por empuje axial con grandes caudales



18

Bombas multietapa

• Peligro por empuje axial con grandes caudales

Máster Ingeniería Industrial

Si la bomba está sobredimensionada, entonces elcaudal es excesivo, y los rodetes pueden “flotar”(empujan a la bomba en la dirección del eje)

Esto genera desgaste en los cojinetes y vibraciones

Este gran caudal “se produce” siempre que se rompa latubería cerca de la bomba, ya que aparece un circuitopreferencial, la fuga

El efecto se limita con una válvula en la impulsiónparcialmente cerrada



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Clasificación por (V):

Bombas verticales

Ventajas:

• La instalación resulta sencilla, puede ser directa en un depósito,requiere poco espacio

• No precisa tubería de aspiración o de carga

• Si se sumerge queda cebada, por lo que está lista para el servicio

Desventajas:

• El motor debe quedar por encima del nivel del líquido

Bombas verticales (multietapa)

Ventajas:

• Requiere poco espacio para bomba multietapa


• No se necesita bancada, acoplamiento ni protección

Desventajas:

• La potencia máxima es de unos 55 kW (por el motor eléctrico)



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Clasificación por (VI):

Bombas sumergibles

Ventajas:

• La instalación resulta sencilla, puede ser directa en unsumidero, por lo que requiere poco espacio

• No necesita tubería de aspiración o de carga

• Si se sumerge queda cebada, por lo que está lista para elservicio

• No requiere caseta especial de bombas

Desventajas:

• Requiere tener motor eléctrico especial, que sea sumergible

• La temperatura máxima de trabajo está limitada a 40-50°C



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Clasificación por (VII):

Bombas sumergibles con motor sumergible

Ventajas:

• Se pueden instalar en pozos muy estrechos y profundos sin requerir precauciones especiales

• Se pueden instalar como bomba de apoyo

Desventajas:

• Aplicaciones limitadas

Motor

Aspiración



22

Clasificación por (VIII):

Bombas para depósito

Ventajas:

• Permite la instalación directa en el depósito, por lo que se requiereun espacio mínimo

• Aspira directamente del depósito, por lo que no precisa tubería deaspiración o carga; al no necesitar conexiones en la base deldepósito elimina problemas de fugas (que en algunos fluidospueden implicar a la seguridad)

• Si se sumerge queda cebada, por lo que está lista para el servicio

Desventajas:

• Limita la longitud de la instalación

• Para fluidos con contenido en sólidos abrasivos requieren unaconstrucción especial (sin cojinetes), ya que el diseño estándarlleva cojinetes internos



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Clasificación por (IX):

Bombas con depósito

Ventajas:

• Permite incrementar el valor del NPSHd al variar la longitudde su depósito y, por tanto, la longitud de la bomba

• Tiene gran fiabilidad de funcionamiento, ya que si se instalacorrectamente, incluso en malas condiciones de aspiración,no tiene problemas de cavitación

Desventajas:

• Es cara

• Por su volumen y forma, su instalación es dificultosa



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m.c.a.

m3/h



25

Manual de Bombeo

Grundfos Industry



26

Pump Handbook

Grundfos Industry



27

Radial (R + T) AXIAL (A + T) MIXTO (R + A + T)

R

T

A

R

T

A

R

TA



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Marca el comportamiento de las Bombas (Generadores Hidráulicos)

La Ec. de Euler para Bombas:

g

cucuH u11u22

total

g2

ww

g2

cc

g2

uuH

21

22

21

22

21

22

total

La Htotal es la altura total suministrada por el rodete, pero en el interior dela bomba existen pérdidas, HL-intB

De este modo la altura útil o manométrica, Hman es:

Aplicando Bernoulli entre la entrada y salida de la bomba se tiene:

BintLtotalman HHH

S

2S

SmanE

2E

E

p

g2

vzH

p

g2

vz

2

22

2perextaña1

21

1p

g2

VzHHH

p

g2

Vz

ES

2E

2S

ESmanpp

g2

v

g2

vzzH

En la práctica: zS≈ zE , y si vS≈ vE

ESman

ppH



29

U2

C1

U1

W1β11

C2

W2

2

β21ª Ec. EULERg

cucuHH u11u22

.H.Gtotal

La Curva Característica (I):

C1

C1u

C1m

1

C2

C2u

C2m

2

Si 1=90º c1u= 0 Hmax g

cuH u22

Maxtotal

2m22u2 cotgcuc

2

β2

C2 W2

U2

u2u22 wcu

m2m2 cw m2

u22

u2

m22 w

wcotg

w

wtg

u22u2 wuc

2m2u2 cotgww

MaxtotalH 2m222 cotgcu

g

u

22

m2

22 cotg

g

uc

g

u

r1

r2

WUC



30

U2

C1

U1

W1β11

C2

W2

2

β2

La Curva Característica (II):

22

m2

22

Maxtotal cotgg

uc

g

uH

El Caudal impulsado realmente es:

2m221m11 ACkACkQ,Caudal C1

C1u

C1m

1

C2

C2u

C2m

2

rodete111 anchor2A r1

r2

rodete222 anchor2A

k1 y k2 dependen del espacio ocupado por los álabes delrodete en la entrada y salida respectivamente

22

22

22

Maxtotal cotgg

u

Ak

Q

g

uH

Siendo: u2. g, k2, A2, y β2 ctes QBAH Maxtotal

g

uA

22 2

22

2 cotggAk

uB

C2m



31

U2

C1

U1

W1β11

C2

W2

2

β21ª Ec. EULERg

cucuHH u11u22

.H.Gtotal

La Curva Característica (III):

C1

C1u

C1m

1

C2

C2u

C2m

2

Si 1=90º c1u= 0 Hmax

g

cuH u22

Maxtotal

2

β2

C2 W2

U2

r1

r2

WUC

Si 2 = 0 c2m = 0 Q = 0

Si 2 = 90º c2u = 0 H = 0

2m2 AcQ,Caudal

C2u da presión

C2m da caudal



32

U2

C1

U1

W1β11

C2

W2

2

β2

La Curva Característica (IV):

r1

r2

QBAH Maxtotal g

uA

22 2

22

2 cotggAk

uB

intB-Lamanométrictotal HHH

La Curva Característica relaciona Hman con Q

tub-Lelevman HHH

intB-Lmantotal HHH

aspimpelevgeom HHHH

Q

Ht

Aβ2 < 90º

β2 = 90º

β2 > 90º

Típico en las Bombas

Centrífugas



33

Una bomba centrífuga gira a 1.500 rpm. La superficie de entrada del agua al rodetees de 0,03 m2, y la de salida 0,04 m2. El diámetro del rodete a la entrada es de 0,3 m ya la salida de 0,5 m. Los ángulos de los álabes son: 1= 22º; 2= 15º; con 1= 90º

• Calcular los triángulos de velocidades (U1, U2, C1, C2; 2)• La altura teórica de impulsión• El caudal de la bomba



34

• Representar la variación de la altura teórica de impulsión si el ángulo 2 varía degrado en grado desde 11º a 18º



34

• Representar del caudal de impulsión si el ángulo 2 varía de grado en grado desde11º a 18º



35



• Representar la variación de la altura teórica de impulsión si el ángulo 1 varía degrado en grado desde 18º a 25º

35

• Representar la variación del caudal de impulsión si el ángulo 1 varía de grado engrado desde 18º a 25º



36



36

• Representar la variación de la altura teórica de impulsión si el ángulo α1 varía de 2grados en 2 grados desde 82º a 96º

• Representar la variación del caudal de impulsión si el ángulo α1 varía de 2 grados en 2grados desde 82º a 96º



37

La Curva Característica (V):

g

uA

22

Q

Ht

Aβ2 < 90º

β2 = 90º

β2 > 90ºintB-Lamanométrictotal HHH

La Curva Característica relaciona Hman con Q

HL-intB son de dos tipos:

• Rozamiento líquido álabes

• Choques por Q ≠Qnominal

21fric-L QCteH

2nom2choq-L Q-QCteH

2nom2

21interiores-L QQCteQCteH

542

3 CteQCteQCte

542

3man CteQCteQCteQBAH

QBAH Maxtotal 222

2 cotggAk

uB

2nn

22

21 QQQ2QCteQCte



38

La Curva Característica (VI):

542

3intB-L CteQCteQCteH

intB-Lamanométrictotal HHH QBAH Maxtotal

542

3man CteQCteQCteQBAH H

Q

Curva Ideal

2man QcQbaH

tub-Lelevmanutil HHHH

intB-LmantotalEuler HHHH

aspimpelevgeom HHHH

3

4

5

Ctec

CteBb

CteAa



39



H

Q

Curva Ideal

H

QFugas

2man QcQbaH

QBAH Maxtotal



aspimpelevgeom HHHH

542


542




40



H

Q

Curva Ideal

H

QFugas

2man QcQbaH

QBAH Maxtotal



aspimpelevgeom HHHH

542


542




41


H

Q

Curva Ideal

P. por fugas


2man QcQbaH

QBAH Maxtotal



aspimpelevgeom HHHH

542


542


El esquema es ilustrativo del fenómeno, no es una representación a escala

3

4

5

Ctec

CteBb

CteAa



42


H

Q

Curva Ideal

P. por fugas


2man QcQbaH

-

QBAH Maxtotal



aspimpelevgeom HHHH

P. por recirculación

542


542


El esquema es ilustrativo del fenómeno, no es una representación a escala

3

4

5

Ctec

CteBb

CteAa



43


H

Q

Curva Ideal

P. por fugas


P. por fricción

-

2man QcQbaH

QBAH Maxtotal



aspimpelevgeom HHHH

Qopt


542


542


21fric-L QCteH



44


H

Q

Curva Ideal

P. por fugas


-

2man QcQbaH

QBAH Maxtotal



aspimpelevgeom HHHH

“a restar”

Qopt

P. por fricción


542


542


21fric-L QCteH



45


H

Q

Curva Ideal

Resta por fricción

P. por fugas

-

-


2man QcQbaH

QBAH Maxtotal



aspimpelevgeom HHHH

Qopt


542


542


3

4

5

Ctec

CteBb

CteAa

21fric-L QCteH



46


H

Q

Curva Ideal

P. por fugas

-

-


2man QcQbaH

QBAH Maxtotal



aspimpelevgeom HHHH

Qopt

P. por choquey turbulencia


Resta por fricción

542


542


2nom2choq-L Q-QCteH

21fric-L QCteH



47


H

Q

Curva Ideal

“a restar”por fricción

P. por fugas

-

-


2man QcQbaH

QBAH Maxtotal



aspimpelevgeom HHHH

Qopt


P. por choquey turbulencia

“a restar” por choque “a restar” por turbulencia

542


542




48


H

Q

Curva Ideal

P. por fugas

-

-

-


2man QcQbaH

QBAH Maxtotal



aspimpelevgeom HHHH


Qopt

Curva real

“a restar”por fricción

-“a restar” por choque

“a restar” por turbulencia

542


542


3

4

5

Ctec

CteBb

CteAa

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