Clase 19 Sistemas de Bombeo

Facilitador:

Ing. Juan Medina

Cátedra de Mecánica de Fluidos

Enero 2014

Departamento de Térmica y Energética

Universidad de Carabobo

Semestre Único 2013

Generalidades y Fundamentos de los Sistemas de Bombeo Facultad de Ingeniería - UC 2

Camino Crítico


Camino Crítico

Curvas Características de una BC

Punto de Operación de una BC

Similitud en BC

Fundamentos de Operación de Bombas

Centrífugas

Fenómenos de Cavitación y Transitorios

Selección de BC

Instalaciones Típicas

En el diseño de sistemas de

bombeo generalmente se

conocen los puntos extremos

de demanda a satisfacer

(proceso), y a partir de dichos

puntos (o curva del sistema)

se selecciona una

turbomáquina motora capaz

de satisfacer los

requerimientos de dicho

proceso. Considere por

ejemplo que se dispone de un

sistema arbitrario como el

mostrado en la figura. En este

sistema Ud. conoce las

condiciones en los puntos (de

operación o proceso) 1, 3 y 4

pman=120 kPa

C

D

h= 2,0 m

A

B

E

s

d

G

H

J

1

2

3

4

0

F

K


Camino Crítico


Camino Crítico



Similitud en BC


Centrífugas


Selección de BC


El objetivo de todo diseño de un sistema de bombeo es

el cálculo de la disponibilidad de la turbomáquina

(Hbomba), el cual se define como:

succionadescbomba HHH arg

BombafinalLfinal HHHH 11

O alternativamente como el balance de disponibilidad

entre los puntos extremos de operación, contemplando

las pérdidas:

Nótese como, en el caso de este ejemplo, existen dos (2) balances de disponibilidad para la

selección de la bomba:

BombaL HHHH 3113 BombaL HHHH 4114

Se define como “Camino Crítico” a aquel tramo de tuberías que ofrezca mayor resistencia

al flujo y que permita realizar el diseño del sistema de bombeo.


Camino Crítico


Camino Crítico



Similitud en BC


Centrífugas


Selección de BC


Un flujo de fluidos siempre se desplaza de zonas de

mayor disponibilidad a zonas de menor disponibilidad

En el caso de este ejemplo, el camino crítico de diseño

será aquel que involucre la mayor cantidad de pérdidas

y produzca la mayor diferencia entre las

disponibilidades extremas de los puntos de operación,

es decir:

),max( 41143113 LLBomba HHHHHHH

El camino crítico de diseño permitirá a la bomba satisfacer las condiciones más exigentes

de un arreglo de tuberías determinado, es decir, entregar fluido desde el depósito hasta el

punto de utilización, venciendo las pérdidas en el arreglo de tuberías


Curvas Características de una Bomba Centrífuga


Camino Crítico



Similitud en BC


Centrífugas


Selección de BC


Se ha verificado el hecho de que la carga de un

arreglo de tuberías varía de manera cuadrática

conforme al flujo volumétrico en el sistema. Esto

implica que la pérdida de carga del sistema

aumenta conforme a la razón de flujo

Un fenómeno similar ocurre dentro de las propias turbomáquinas motoras (bombas). Para

simplificación de los análisis, las definiciones y aplicaciones que se revisarán en este

aparte serán las correspondientes a Bombas Centrífugas

Sólo es posible evaluar el comportamiento de la carga ó disponibilidad de la bomba de

manera experimental. Este procedimiento es llevado a cabo por los fabricantes y es

suministrado en forma de curvas, donde se grafica el comportamiento de la carga (hbomba),

eficiencia (ηbomba) y potencia (dW/dtbomba) en función del caudal de operación


Curvas Características de una Bomba Centrífuga


Camino Crítico



Similitud en BC


Centrífugas


Selección de BC


Curvas características para una bomba

centrífuga (Marigorta et al, 1994)

Curvas características para una bomba

axial (Marigorta et al, 1994)

La carga de una bomba es máxima a caudal nulo (Q=0), debido a que no existe flujo dentro

de la bomba capaz de producir pérdidas de carga. Por otra parte, la carga de la bomba

disminuye conforme al incremento del caudal por la aparición de pérdidas de carga.

La eficiencia de la bomba alcanza un valor máximo en el punto más cercano al valor de

caudal de diseño de la turbomáquina y disminuye conforme se aleja de éste


Punto de Operación de una Bomba Centrífuga


Camino Crítico



Similitud en BC


Centrífugas


Selección de BC


Según el análisis derivado de la ecuación de la energía para un sistema de bombeo,

puede observarse que:

BombaL HHHH 2112 BombaL HH ,21

La interpretación gráfica de dicho

análisis reside en que la

disponibilidad de la bomba será el

punto de intersección entre la curva

H(Q) de la bomba y la curva de

demanda H(Q) del sistema. A este

punto de intersección se le conoce

como Punto de Operación


Similitud en Bombas Centrífugas


Camino Crítico



Similitud en BC


Centrífugas


Selección de BC


En la práctica es común encontrar bombas de diferentes diámetros de rotor, o rodete

para una misma carcasa. De igual forma, es posible encontrar bombas que operen a

diferentes velocidades de giro, producto del cambio de los motores o de la incorporación

de Variadores de Frecuencia (regulan la velocidad de giro del motor)

Para ambos casos, el comportamiento de la carga, la eficiencia y la potencia de la bomba

es diferente y los fabricantes acostumbran colocar todas las curvas para la misma

carcasa, o la misma bomba (a diferentes diámetros o velocidades) en una misma gráfica

Las diferentes curvas para una misma carcasa (con diferentes diámetros de rotor o con

diferentes velocidades) conservan la misma forma debido a que se preservan las Leyes

de Similitud (Geométrica, Cinemática y Dinámica)




Camino Crítico



Similitud en BC


Centrífugas


Selección de BC


*Ejemplo de

curvas

características

para una familia

de bombas con

igual carcasa

pero diferente

diámetro de

rotor (Çengel,

2007)

La eficiencia es igual para toda la familia de bombas y se grafica en forma de

curvas de nivel (curvas de isoeficiencia) para toda la familia de bombas




Camino Crítico



Similitud en BC


Centrífugas


Selección de BC


*Ejemplo de curvas

características para una

misma bomba con

diferentes velocidades de

giro (Goulds Pumps, 2013)




Camino Crítico



Similitud en BC


Centrífugas


Selección de BC


De igual manera, aún cuando no es común por parte de los fabricantes, sí es una

práctica acostumbrada por quien está a cargo del diseño, trabajar no con todas las

curvas de la familia de bombas similares, sino con una sóla Curva Adimensional, donde

se relacionan todas las curvas de la familia.

*Curvas adimensionales para una familia de

bombas similares (Marigorta et al, 1994)

Todos los parámetros de diseño (Carga, H;

Caudal, Q; Potencia, dW/dt) se transforman en

números adimensionales y se grafican. La

eficiencia ya es un parámetro adimensional

3:dim

D

QensionalaCaudal

22:dimarg

D

gHensionalaaC

53:dim

D

WensionalaPotencia

*w: Velocidad de giro (rad/s)




Camino Crítico



Similitud en BC


Centrífugas


Selección de BC


En el punto de máxima eficiencia de toda la familia de curvas (o de la Curva

Adimensional) (φ0,ψ0) se pueden combinar ambos parámetros adimensionales para

eliminar el valor de diámetro y obtener otro parámetro adimensional muy útil conocido

como Velocidad Específica

4/3

0

2/1

0

gH

QN s

*Q0 y H0 son los valores de carga y

caudal correspondientes a (φ0,ψ0), es

decir, el punto de máxima eficiencia

La Velocidad Específica de la

bomba se usa para identificar la

operación de una bomba en sus

condiciones óptimas (punto de

máxima eficiencia) y es útil para la

selección preliminar de la bomba

(tipo de álabes o turbomáquina a

utilizar) (Ver Figura, Çengel, 2007)


Cavitación en Bombas Centrífugas


Cavitación en BC

NPSH

Diseño de la Aspiración

Fenómenos Transitorios en BC

Golpe de Ariete

Sistemas de Control del Golpe de Ariete


Centrífugas


Selección de BC


Existen fenómenos afectantes del rendimiento de una Bomba Centrífuga. Pueden

ocurrir fenómenos permanentes (cavitación) o transitorios. Durante la entrada del flujo

en el rodete de una bomba se produce una aceleración que, cuando la presión es

suficientemente baja, genera la formación de burbujas de vapor. Esto tiene dos

efectos sobre el funcionamiento de la bomba. En primer lugar, la cavitación erosiona

el rodete y, con el tiempo, lleva a su destrucción. En segundo lugar, cuando la

cavitación es fuerte disminuye la altura de elevación.

Para evitar la cavitación, hace falta mantener una presión suficiente, por encima de la

presión de vapor, en la entrada de la bomba

*Efecto de la cavitación sobre la curva característica

de la bomba H(Q) (Marigorta et al, 1994) *Efecto de la cavitación sobre el rodete de la bomba


Carga de Aspiración Neta Positiva (NPSH)


Cavitación en BC

NPSH



Golpe de Ariete



Centrífugas


Selección de BC


El valor de carga neta requerido para evitar la cavitación es calculado por el fabricante

para diferentes valores de caudal y se denomina Carga de Aspiración Neta Positiva

requerida (NPSH). Analógamente, la Carga de Aspiración Neta Positiva disponible

del sistema es propia de cada arreglo de tuberías y/o sistema de bombeo y debe tener

un valor tal que sea superior al NPSH requerido

NPSH requerido : Experimental (Fabricante)

g

TP

g

V

g

PNPSH

fluidov

succionbombaladeentrada

d

@

2/

2

NPSHd > NPSHr : Sin cavitación

A una temperatura determinada, puede estimarse un valor máximo de caudal a partir

del cual las pérdidas de carga sean tales que la cavitación sea inevitable

Generalidades y Fundamentos de los Sistemas de Bombeo Facultad de Ingeniería - UC 15 Semestre Único 2013

Cavitación en BC

NPSH



Golpe de Ariete



Centrífugas


Selección de BC


De acuerdo a la relación de NPSHd > NPSHr puede observarse que, aparte del factor

de la temperatura del fluido, los factores afectantes de la cavitación se encuentran en

la entrada de la bomba, es decir en la tubería de aspiración. Una aspiración mal

diseñada provoca que la bomba cavite. De igual forma, si la tubería de aspiración no

está completamente llena de líquido, puede ocurrir cavitación, siendo necesario un

procedimiento de Cebado (rellenar de líquido la tubería de aspiración) para poner en

marcha la bomba

El NPSHr también puede seguir las Leyes de Similitud para una familia de bombas

centrífugas

*Ejemplo de curvas características

NPSHr para una familia de bombas con

igual carcasa pero diferente diámetro

de rotor (Marigorta et al, 1994)

Carga de Aspiración Neta Positiva (NPSH)


Cavitación en BC

NPSH



Golpe de Ariete



Centrífugas


Selección de BC


Para incrementar el valor de NPSHd en la tubería de aspiración es necesario

considerar los siguientes factores

Diseño de la Tubería de Aspiración/Succión

Cota piezométrica: Es conveniente situar la bomba

lo más cerca posible del nivel de aspiración. Lo ideal

es que esté inclusive por debajo del nivel de fluido del

reservorio

Pérdidas de Carga: Deben minimizarse las pérdidas

de carga en la aspiración (colocar la menor cantidad

de accesorios y/o menor longitud de tramos de

tuberías) con el objetivo de maximizar la presión a la

entrada de la bomba

Cebado: La bomba debe ser autocebante o

contemplar un mecanismo de cebado

*Mecanismo de cebado para una BC

(Marigorta et al, 1994)


Cavitación en BC

NPSH



Golpe de Ariete



Centrífugas


Selección de BC


Fenómenos Transitorios en Bombas Centrífugas

Además de la cavitación, otros problemas de gran magnitud en los sistemas de bombeo

son los ocasionados por fenómenos no estacionarios o transitorios.

La capacidad de una red de tuberías para soportar los fenómenos transitorios depende

de la magnitud del sistema y la capacidad de las tuberías para soportar sobrepresiones

sin fallar

Los fenómenos transitorios pueden contemplar cambios lentos o rápidos (velocidad de

respuesta del sistema). A los cambios lentos se les denomina Oscilación en Masa y a

los cambios rápidos se les denomina Golpe de Ariete

•Causas de los Fenómenos Transitorios:

Maniobra de Válvulas (Apertura o Cierre)

Parada o arranque de bombas o turbinas

Funcionamiento de válvulas Check, de admisión o escape de aire (…)

Ruptura de tuberías

Llenado o vaciado de las tuberías

Aire atrapado en las tuberías


Cavitación en BC

NPSH



Golpe de Ariete



Centrífugas


Selección de BC


Golpe de Ariete

En los fenómenos transitorios, como es el caso del golpe de ariete, no se tiene en

cuenta la compresibilidad del fluido ni la elasticidad de las tuberías, se considera al

fluido como un cuerpo rígido

Considere p.ej. El sistema de la siguiente figura. Un cierre parcial de la válvula que

reduzca instantáneamente la velocidad en ΔV viene acompañado de un incremento de

presión antes de la válvula ΔH (el cambio de energía cinética se transforma en cambio

de energía de presión)


Cavitación en BC

NPSH



Golpe de Ariete



Centrífugas


Selección de BC


Golpe de Ariete

Esta sobrepresión antes de la válvula (ΔH) se traslada aguas arriba del sistema a la

velocidad del sonido (a) en forma de oscilación u onda, comprimiendo el fluido y

expandiendo la tubería. Suponiendo a estos dos efectos despreciables, la sobrepresión

y el cambio en la energía cinética se traducen en una fuerza resultante neta externa

sobre el sistema (por conservación de la cantidad de movimiento)

Puede compararse el cierre brusco de una válvula con intentar parar un tren expreso

contra una roca del tamaño de un buque

),(*

mónsobrepresig

aVH

ΔV: Cambio de velocidad del flujo

a: Velocidad del sonido

Inclusive pequeñas variaciones de

velocidad pueden provocar grandes

sobrepresiones


Cavitación en BC

NPSH



Golpe de Ariete



Centrífugas


Selección de BC



Para la reducción del golpe de ariete, se tienen básicamente dos posibilidades:

•Actuar sobre la fuente que produce la perturbación/oscilación:

Aumentar los tiempos de apertura y cierre de las válvulas

Incrementar la inercia de las bombas (acoplar un volante de inercia al

motor de la bomba)

•Reducir la perturbación/oscilación una vez que se ha

producido:

Utilizar válvulas de descarga (descarga directa al exterior o

by-pass)

Utilizar chimeneas de equilibrio

Utilizar acumuladores o depósitos de aire (en sustitución de

las chimeneas de equilibrio cuando la presión es de gran

magnitud)

Utilizar válvulas de admisión de aire

*By-pass

*Chimenea de equilibrio

*Pulmón o depósito de aire


Selección de Bombas Centrífugas


Selección en Diseño

Factores influyentes en la selección


Centrífugas


Selección de BC


Una vez definida y caracterizada la red de tuberías a emplear, la selección de la

turbomáquina motora contempla los siguientes pasos

1. Conocer la altura de elevación (Hbomba), el caudal de operación (Q) y las

propiedades del fluido a bombear (Temperatura T, densidad ρ)

2. Calcular la Carga de Aspiración Neta Positiva (NPSH) disponible del sistema

g

TP

g

V

g

PNPSH

fluidov

succionbombaladeentrada

d

@

2/

2

Para una estación de bombeo típica, considere el siguiente

esquema (Ver figura) y aplique la Ec. De la Energía en una

línea de corriente entre el reservorio y la entrada de la bomba

sLssss hz

g

V

g

Pz

g

V

g

P 1,

2

1

2

111

22







Centrífugas


Selección de BC


Sustituyendo el valor de Ps en la ecuación de NPSH se obtiene

g

P

g

Vhz

g

Vz

g

V

g

PNPSH

TfluidovssLs

ssd

@2

1,

2

1

2

111

222

g

Vhzz

g

PPNPSH ss

sresLsres

Tfluidovres

d2

12

,

@

3. Calcular la Velocidad Específica de la Turbomáquina Motora a emplear.

Considerar para el cálculo de la velocidad específica a Q0 y H0 como los

valores de carga y caudal de la bomba, debido a que se asume que la bomba

trabajará a máxima eficiencia. Considerar de la misma manera una velocidad

de giro comercial (900, 1200, 1800, 3600 RPM en rad/s)

4/3

0

2/1

0

gH

QN s







Centrífugas


Selección de BC


4. Seleccionar el tipo de turbomáquina motora a emplear según la gráfica de

velocidad específica y notar su eficiencia máxima respectiva

5. Con un catálogo de bombas, indague el diámetro correspondiente al tipo de

turbomáquina seleccionada, que presente la eficiencia máxima calculada







Centrífugas


Selección de BC


*Catálogo de

Bombas On-

Line Goulds

Pumps

(PSS,

Goulds

Pumps,

2013)







Centrífugas


Selección de BC


6. Para la bomba seleccionada, verifique que el NPSHr del fabricante sea inferior

al valor de NPSHd del sistema a las condiciones de carga y caudal

especificadas

NPSHd > NPSHr : Sin cavitación

7. En caso de que exista riesgo de cavitación, si desea conservar la misma

bomba seleccionada, deberá operar en una eficiencia menor (considere que

no siempre resulta rentable elegir una bomba con operación en baja eficiencia

debido a posibles futuras ampliaciones del sistema e incremento de la

demanda). Caso contrario puede seleccionar un nuevo modelo de bomba con

diferente diámetro de impulsor. En última instancia, si el sistema lo permite,

puede rediseñar el tramo de aspiración/succión para incrementar la NPSHd y

eliminar el riesgo de cavitación


Selección de Bombas Centrífugas: Factores influyentes en la selección (Marigorta et al, 1994)





Centrífugas


Selección de BC


Además del caudal y la altura ó carga de la bomba, algunas características que

influyen en la elección de la bomba son:

• La posición de la bomba (afecta el NPSHd y el cebado)







Centrífugas


Selección de BC




• El diámetro de las tuberías (determina las pérdidas de carga y por tanto, el

punto de operación)

• El número y disposición (serie o paralelo) de las bombas

*Curvas características para tres (3)

bombas en serie

*Curvas características para tres (3)

bombas en paralelo







Centrífugas


Selección de BC




• Bombeo de líquidos viscosos (afecta al Número de Reynolds y por ende a las

pérdidas de carga y al punto de operación)

• Bombeo de pastas o líquidos con sólidos en suspensión (requiere rodetes

especiales, afecta la densidad del fluido) o de líquidos corrosivos (requiere

materiales o recubrimientos especiales)

*Bomba centrífuga para bombeo de

líquidos con sólidos en suspensión

(diseño más robusto)


Esquema Típico de una Estación de Bombeo



Instalaciones Civiles: Tanque a Tanque

Instalaciones Civiles: Hidroneumáticos

Instalaciones Civiles: Evacuación de Aguas Servidas

Sistemas Contra Incendios

Bombas de Condensado


Centrífugas


Selección de BC


Adicionalmente a la técnica de

válvula en by-pass para la

prevención del golpe de

ariete, en una estación de

bombeo típica se instalan dos

(2) bombas en paralelo de

operación no simultánea para

prevenir paradas operativas

durante labores de

mantenimiento











Centrífugas


Selección de BC


Pozo o cámara

de succión

2. Tubería de succión (incluye

filtro/canastilla con válvula de pie)

3. Válvula de Compuerta

4. Reducción excéntrica

5. Bomba

6. Expansión excéntrica

7. Válvula de Retención

8. Válvula de Compuerta

9. Tubería de Impulsión (descarga)

10. Tubería de limpieza

11. Tablero de control











Centrífugas


Selección de BC


En este sistema de bombeo

propio de algunos edificios, se

dispone de un tanque inferior

o subterráneo donde se

almacena el agua que llega

del abastecimiento público y

se bombea hasta un tanque

aéreo (con flotante) desde

donde se distribuye a la red

de tuberías que deriva en

cada apartamento,

suministrando el agua por

gravedad (Bombagua, 2011)











Centrífugas


Selección de BC


Los hidroneumáticos se basan en el

principio de compresibilidad o

elasticidad del aire cuando es sometido

a presión. Se incorporan presostatos y

electrodos al tanque de presión hacia

donde se bombea agua desde el

tanque subterráneo de suministro

público. Los electrodos o sensores se

utilizan para medir el nivel de agua en

el tanque, mientras que los presostatos

miden la presión de aire dentro del

mismo, la cual (con la ayuda de un

compresor adicional) debe ser tal que

en el valor de nivel alto satisfaga con

cierto factor de seguridad el punto de

demanda más exigente (camino crítico)

del sistema/red (Bombagua, 2011)











Centrífugas


Selección de BC


Algunas veces es necesario evacuar las aguas servidas hacia redes de aguas negras a

diferentes elevaciones (pozos de recolección u otras redes). Adicionalmente, algunas veces

parte de las aguas servidas son descargadas fuera del sistema de recolección hacia efluentes.

En estos casos se emplean bombas sumergidas para realizar el trabajo. La NPSHd del sistema

siempre será mayor a la requerida, obviando el riesgo de cavitación (Bombagua, 2011)


Instalaciones Civiles: Sistemas contra Incendios









Centrífugas


Selección de BC


Los sistemas de extinción de incendios constituyen generalmente un desafío en el diseño de

los sistemas de bombeo. El sistema de bombeo debe ser tal que satisfaga un caudal

requerido para garantizar la extinción del incendio de una edificación de dimensiones

arbitrarias en un tiempo determinado (caudales elevados). A pesar de la magnitud de los

caudales manejados, la carga manejada por las bombas no es tan alta y debe satisfacer

únicamente los requerimientos de la red de tuberías contra incendio. En Venezuela el diseño

de estos sistemas está normalizado bajo las normas COVENIN (Bombagua, 2011)











Centrífugas


Selección de BC


Generación Eléctrica: Bombas de Condensado











Centrífugas


Selección de BC


Generación Eléctrica: Bombas de Condensado (Marigorta et al, 1994)

El diseño de bombas de condensado para Ciclos de

generación Rankine es otro de los grandes desafíos en

el diseño de Sistemas de Bombeo debido a que la

bomba debe aspirar agua contenida en un depósito y

procedente de la condensación (condensador). La

presión en el depósito será la presión de vapor del

agua Pv o muy próxima a ella. La expresión para el

NPSHd del sistema será únicamente:

sresLsresd hzzNPSH ,











Centrífugas


Selección de BC


Generación Eléctrica: Bombas de Condensado (Marigorta et al, 1994)

La única manera de evitar la cavitación en este tipo de

bombas es colocar el depósito por encima del nivel de

la bomba. Aún así, las pérdidas disminuyen el valor de

NPSHd, razón por la cual la bomba se diseña para el

valor máximo de pérdidas (máximo valor de caudal o

máxima producción de condensado)

Sin embargo, cuando el nivel de condensado

disminuye, también lo hace zres-zs, por tanto vuelve a

producirse la cavitación. Estas bombas cuentan con

sistemas de regulación automáticos que modifican la

curva característica de la bomba según el valor de

caudal; son bombas que están constantemente en

riesgo de cavitación y presentan desgastes y ruido

excesivos, así como condiciones de falla extremas

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