Sistemas de Bombeo Hidraulica

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  • Hidrulica

    SISTEMAS DE BOMBEO

    5.1. DEFINICIN Y CLASIFICACIN

    Un sistema de bombeo consiste en un conjunto de elementos que permiten el transporte travs de

    tuberas y el almacenamiento temporal de los fluidos, de forma que se cumplan las especificaciones

    de caudal y presin necesarias en los diferentes sistemas y procesos.

    En un sistema tpico, adems de las tuberas que enlazan los puntos de origen y destino, son

    necesarios otros elementos. Algunos de ellos proporcionan la energa necesaria para el transporte:

    bombas, lugares de almacenamiento y depsitos. Otros son elementos de regulacin y control:

    vlvulas y equipos de medida.

    Una bomba hidrulica es una mquina generadora que transforma la energa (generalmente energa

    mecnica) con la que es accionada en energa hidrulica del fluido incompresible que mueve.

    La especificacin bsica que debe satisfacer un sistema de bombeo es el transporte de un caudal de

    un determinado fluido de un lugar a otro. Adems, suele ser necesario que el fluido llegue al lugar

    de destino con una cierta presin, y que el sistema permita un rango de variacin tanto del caudal

    como de la presin.

    El diseo de un sistema de bombeo consiste en el clculo y/o seleccin de las tuberas, bombas, etc,

    que permitan cumplir las especificaciones de la forma ms econmica posible.

    En cuanto a la operacin de un sistema de bombeo, hay que tener en cuenta los sistemas de

    regulacin y control que permitan obtener el caudal y la presin deseados, as como los problemas

    de cavitacin, inestabilidades y transitorios que se puedan producir.

    Las bombas se pueden clasificar de muchas maneras desde diferentes puntos de vistas pero en

    forma general:

    De desplazamiento positivo. Son aquellas que confinan un volumen de fluido y lo trasladan a otro

    lugar, dentro de este grupo se encuentran todas las bombas usadas en la oleo hidrulica y de uso

    frecuente en los quirfanos, en el bombeo del petrleo de los pozos profundos y las usadas en la

    industria pesada en general, bombeo de concreto, equipos pesados para movimientos de tierra, etc.

    Dinmicas. Son aquellas en que la transferencia de la energa se produce en una superficie mojada

    por el fluido en la que dicha superficie recibe el movimiento debido a la energa mecnica de

    rotacin que recibe de un elemento motriz.

  • Tarea: agregar imgenes de cada tipo de bomba

    Nomenclatura tpica de una instalacin de bombeo.

    Cualquier instalacin de bombeo tiene dos lados perfectamente identificados:

    El lado de succin. Que comprende la parte de la tubera entre la vlvula antiretorno y la boca de entrada

    de la bomba, en este lado no interviene la potencia de la bomba y la operacin de llenado con fluido de la

    cmara de la bomba es solo responsabilidad de la presin atmosfrica local.

    El lado de la impulsin. Que comprende entre la salida de la bomba y la salida del agua. El flujo en este

    lado es exclusivamente con la potencia de la bomba.

    A continuacin se expondrn algunos de los trminos ms usados en la eleccin de bombas.

    Caudal o capacidad de la bomba: es el volumen de lquido impulsado por una bomba en una unidad de

    tiempo [Q].

    Carga esttica de succin: Es la distancia vertical desde el nivel de lquido de succin hasta la lnea

    central de la bomba, ver figura.

    Carga esttica de descarga: Es la distancia vertical desde el nivel de lquido de descarga y la lnea central

    de la bomba.

    Carga esttica total: Es la distancia vertical entre los niveles del lquido en los puntos de succin y

    descarga, ver figura.

    Carga de friccin: Es la carga, expresada en unidades de longitud, necesaria para vencer la resistencia

    de las tuberas de succin, descarga y los accesorios que contenga el sistema.

    Presin de succin: Se refiere a la altura desde la cual el fluido puede ser succionado por la bomba,

    pudiendo ser presin de succin positiva o negativa, dependiendo de la posicin relativa de la bomba con

    el nivel el fluido.

    Presin de descarga: Se refiere a la altura a la cual puede ser bombeado un fluido.

    Carga de la bomba o altura de bombeo: Caracteriza a la energa especfica cedida por la bomba al

    lquido.

  • Fig. 5.1 Esquema de los elementos de un sistema de bombeo.

    5.2. CURVAS DE FUNCIONAMIENTO.

    El comportamiento hidrulico de una bomba viene especificado en sus curvas caractersticas que

    representan una relacin entre los distintos valores del caudal proporcionado por la misma con otros

    parmetros como la altura manomtrica, el rendimiento hidrulico, la potencia requerida y la altura de

    aspiracin, que estn en funcin del tamao, diseo y construccin de la bomba.

    La Curva Caracterstica de una Bomba Centrfuga, es un grfico que representa la relacin nica de Carga

    Caudal que garantiza la Bomba a determinada velocidad de rotacin de su impulsor.

    Curvas de una bomba centrifuga con velocidad de rotacin constante

    Las curvas caractersticas de una bomba centrifuga se presentan, representando grficamente, la carga de

    la bomba, H, la potencia requerida o potencia al freno, N, y el rendimiento, , con respecto al caudal, Q, a

    una velocidad de rotacin constante. Estas curvas caractersticas se determinan, normalmente por los

    fabricantes, mediante ensayos de laboratorio.

    Las condiciones ptimas de operacin de una bomba, se pueden obtener trabajando cerca del Punto de

    Mximo Rendimiento, PMR, es decir, donde la ordenada que pasa por el PMR, corta a la curva de carga de

    la bomba, tal como se muestra en la figura 5.2

  • Fig. 5.2. Curvas caractersticas de una bomba centrifuga de flujo radial

    Las grficas que se muestran en las figuras 5.3 y 5.4 representan las curvas caractersticas de un bomba

    centrifuga de flujo mixto y de flujo axial respectivamente. En dichas grficas se muestran el Punto de

    Mximo Rendimiento y el punto de operacin en la que la bomba trabajar en condiciones ptimas.

    Figura 5.3. Bomba centrifuga de flujo mixto Figura 5.4. Bomba centrifuga de flujo axial

    En las curvas caractersticas mostradas, se puede observar que el rendimiento de las bombas centrifugas

    cae con rapidez, cuando el caudal excede el PMR.

    En las bombas de flujo axial, figura 5.4, se puede observar que la curva de la carga de la bomba, cae

    bruscamente y que para el PMR, se tiene poca altura de bombeo y un caudal de trabajo alto.

    En la figura 5.5 se muestra, las curvas de funcionamiento de una bomba centrifuga, con una velocidad de

    rotacin constante, n= 1450 rpm.

    Por lo general, los fabricantes de bombas centrifugas, proporcionan en una misma grfica, ms de un

    dimetro de impulsor; en la grfica, por ejemplo, se muestran cuatro dimetros de impulsores diferentes.

    Adems de las curvas de carga para diferentes dimetros de impulsor, tambin se incluyen las curvas de

    igual rendimientos o eficiencia.

  • Figura 5.5. Curva caracterstica de una bomba centrifuga con curvas de igual rendimiento y con impulsores de

    diferentes dimetros.

    La eleccin de una bomba centrifuga para condiciones determinadas depende de la velocidad de rotacin

    del motor que la acciona. Los fabricantes de bombas proporcionan curvas en donde se muestran la carga

    de la bomba para distintas velocidades de rotacin, un ejemplo de estas curvas se muestra en la figura 5.6.

    Esta grfica permite encontrar la velocidad de rotacin requerida y la eficiencia para cualquiera condicin

    de carga de la bomba o caudal, dentro de los lmites de la grafica.

    Figura 5.6. Curva caracterstica de una bomba centrifuga a varias velocidades de rotacin con lneas de igual

    rendimiento.

  • Grficas de curvas caractersticas compuestas.

    Como ya hemos visto, las bombas centrifugas pueden utilizar diferentes dimetros de impulsor y pueden

    trabajar a distintas velocidades de rotacin. Es por ello que los fabricantes suministran al comprador un

    diagrama denominado grfica de curvas caractersticas compuestas, en donde pueden cubrir una amplia

    variedad de requerimientos de caudal y carga con algunos tamaos bsicos de bombas.

    En la figura 5.7, se presenta un ejemplo que muestra el alcance de funcionamiento de una lnea de bombas

    centrifugas con distintos dimetros de impulsor y a dos velocidades de rotacin diferentes.

    Figura 5.7. Funcionamiento para una lnea de bombas centrifugas (fuente: Goulds pumps)

    En la figura 5.7 se muestra las curvas para una lnea de bombas que permiten una determinacin rpida del

    tamao de la bomba. Por consiguiente, para cada tamao de bomba especificada en este grfico existe una

    grfica de funcionamiento ms detallada, como la que se muestra en la figura 5.8.

  • Figura 5.8. Curvas caractersticas para una bomba centrifuga de 2x2-5 y 3450RPM (fuente: Goulds pumps)

    Forma en que se designa una bomba:

    Curva de demanda del sistema

    La curva de demanda del sistema, es una grfica de H=f (Q), que toma en cuenta el caudal, la carga esttica

    total, la carga de friccin, la carga dinmica de todo el sistema y la presin deseada expresada en unidades

    de longitud. Esta curva es la forma ms fcil y exacta de decidir cual es la bomba que mejor se adapta a una

    aplicacin.

  • Para realizar la deduccin consideremos un sistema como el que se muestra en la figura 5.9, en el que se

    tiene una tubera de un solo dimetro y una bomba para transportar un fluido entre dos depsitos.

    La curva de demanda del sistema para esta configuracin o sistema de bombeo, se obtiene al aplicar la

    ecuacin de Bernoulli desde E hasta S.

    Figura 5.9. Sistema de bombeo.

    Punto de operacin de una bomba

    La forma en la que una bomba trabaja no depende solamente de las caractersticas de funcionamiento de

    la bomba, sino tambin de las caractersticas del sistema en el cual va a trabajar. Para obtener el punto de

    operacin se debe graficar en un mismo papel, la curva caracterstica de la bomba, con la curva de

    demanda del sistema.

    En la figura 5.10, se muestra la superposicin de la curva caracterstica de la bomba y de la curva de

    demanda del sistema en estudio.

    La distancia Z, representa la diferencia de nivel entre los dos depsitos, cuando esta diferencia es nula la

    curva parte de cero.

  • Figura 5.10. Punto de funcionamiento de una bomba centrifuga.

    El punto de interseccin de las curvas determina los valores de la altura de bombeo, Hbombeo y el caudal de operacin, Qoper.

    Este punto puede ser, o no, el punto de mximo rendimiento para la bomba. Si el punto de operacin no

    esta cerca del Punto de Mximo Rendimiento, significa que la bomba no es la adecuada para las

    condiciones que se requieren y habr que elegir otra bomba.

    Una bomba dada, en un sistema dado, slo entregar el caudal correspondiente a la interseccin de las

    curvas. Si el caudal de operacin obtenido no es el que se requiere se tendr que variar una de las curvas,

    es decir la curva caracterstica de la bomba o la curva de demanda del sistema.

    Por ejemplo si tenemos una bomba que desarrolla una revolucin n1, y al superponerla con la curva del

    sistema, nos da un caudal de operacin, Q1, tal como se muestra en la figura 5.11. Se puede dar el caso que

    el caudal obtenido por dicha interseccin, Q1, sea mayor al caudal que se requiere en el sistema. En este

    caso se puede disminuir las revoluciones del motor, si ste as lo permite, para obtener el caudal deseado,

    se obtendra de este modo unas revoluciones del motor n2, como se aprecia en la figura 5.11.

  • Figura 5.11.Variacin de la velocidad de revolucin.

    Otra opcin, y en algunos casos mas viable, es variar la curva del sistema. Para lograr cambiar la curva del

    sistema, se debe generar mayor prdida de carga, con una vlvula de estrangulacin, y la nueva curva del

    sistema se desplazar hacia la izquierda, tal como se muestra en la figura 5.12, hasta obtener el caudal

    deseado.

    Figura 5.12.Variacin de la curva del sistema.

  • 5.3 SELECCIN DE EQUIPO

    Hoy en da no existe actividad humana en la que no estn presentes las bombas, por ejemplo en el sector

    industrial, hospitales, centros de generacin de energa, en la construccin, servicios de abastecimiento de

    agua potable, sistemas de alcantarillado, etc.

    Debido a la gran diversidad de usos de tipos de fluidos a mover, existen numerosos grupos de modelos que

    se adaptan convenientemente a cada aplicacin particular.

    Independientemente del tipo de bomba elegido, los elementos de la instalacin de un sistema de bombeo

    son comunes a todos los tipos de bombas, por lo que se pueden estudiar en forma general sin referirse a un

    tipo en particular.

    Existe un indicador, llamado velocidad especfica, el cual se calcula con la finalidad de tener una idea

    general del tipo de bomba que se debe seleccionar en un sistema de bombeo.

    La velocidad especfica es un nmero adimensional el cual es funcin del caudal, la velocidad de rotacin o

    rpm del motor y la carga o altura de bombeo. La velocidad especfica NS de una bomba se expresa en el

    sistema ingls, como:

    En la figura se muestran unos impulsores tpicos de bombas centrifugas y sus correspondientes velocidades especficas.

    Velocidad especifica

    Cuando el caudal se expresa en gpm, la velocidad de rotacin en rpm y la carga en pies, las bombas centrifugas tienen velocidades especficas que van desde 500 hasta ms de 10000 segn sea el tipo de impulsor. Las bombas rotatorias y reciprocantes tienen valores ms bajos. Las bombas centrifugas representan aproximadamente un 80% del mercado debido a que es la ms adecuada para manejar ms cantidad de lquido que la bomba de desplazamiento positivo.

  • 5.4. FENOMENOS TRANSITORIOS

    Cavitacin La cavitacin es la evaporacin de un lquido en una tubera cuando su presin disminuye por debajo de la

    presin de vapor.

    La cavitacin es un factor importante que se debe evitar para el funcionamiento satisfactorio de una

    bomba.

    Cuando el lquido pasa por el impulsor de una bomba, se produce un cambio de presin.

    Si la presin absoluta del lquido cae por debajo de su presin de vapor, se producir cavitacin en el

    interior de la bomba. Las zonas de vaporizacin obstruyen el flujo limitando la capacidad de las bombas y

    puede producir el picado del impulsor.

    La cavitacin se traduce por ruidos, vibraciones, disminucin de la carga que suministra la bomba y de su

    rendimiento, y con el tiempo por una erosin del impulsor.

    Carga neta de succin positiva (NPSH Net Positive Suction Head)

    Para evitar la cavitacin es necesario que la presin absoluta de succin de la bomba sea mayor que la

    presin de vapor del lquido a la temperatura de trabajo. La diferencia entre estas dos presiones, en

    unidades de longitud, es lo que se define como la carga neta de succin positiva o NPSH.

    La presin que ejerce un lquido sobre lo que lo rodea depende de su temperatura. Esa presin llamada

    presin de vapor, es una caracterstica propia de cada fluido y aumenta con la temperatura.

    Se definen dos cargas de succin positiva, NPSH, la que depende del sistema, y se le denomina NPSH

    disponible y la que suministra el fabricante, NPSH requerida.

    N.P.S.H disponible

    La carga neta de succin positiva disponible NPSHD es funcin del sistema en el que trabaja la bomba y

    depende de la carga esttica de succin, la carga de friccin de la succin y la presin de vapor del lquido a

    la temperatura de bombeo.

    Si se vara cualquiera de estas cargas la disponible puede alterarse.

    Para obtener la expresin de la NPSH disponible, se aplica la ecuacin de Bernoulli entre 1 y s

  • N.P.S.H requerida

    La carga neta de succin positiva requerida NPSHR, depende slo del diseo de la bomba y es una

    caracterstica que el fabricante proporciona junto con las otras curvas caractersticas vistas anteriormente.

    La NPSHR contempla una serie de variables como son:

    Forma, ngulo de ataque del impulsor, dimensiones en las zonas de succin, de modo de mantener la

    presin en la entrada en el rodete de la bomba por encima de la presin de vapor del lquido.

    Tanto la carga neta de succin positiva requerida y disponible varan en funcin del caudal tal como se

    muestra en la figura 5.13

    Figura 24. Curvas del NPSH disponible y NPSH requerido.

    Se debe trabajar en el lado izquierdo del punto de interseccin de ambas curvas, para evitar la cavitacin de la bomba.

  • La NPSHD se reduce cuando el caudal va aumentando, esto es debido, a las prdidas por friccin en la

    tubera de succin. Mientras que la NPSHR, que es funcin de la velocidad en la tubera de succin aumenta

    con el cuadrado de su capacidad.

    Cuando un sistema tiene un NPSHD< NPSHR, existe cavitacin y la bomba no operar en forma ptima, por

    lo cual se debe resolver ese problema.

    Se pueden encontrar medios para aumentar la NPSH disponible, o bien reducir la NPSH requerido, o ambas

    cosas.

    Para aumentar la NPHS disponible se pueden seguir las siguientes sugerencias, cabe destacar que stas van

    a depender del sistema que se est trabajando.

    Elevar el nivel de lquido

    Bajar la bomba.

    Reducir los accesorios y la longitud de la tubera de succin.

    Aumentar el dimetro en la succin.

    Si el lquido est caliente, se puede enfriar intercalando un intercambiador de calor, con lo que la

    presin de vapor del lquido disminuye.

    Para aumentar la NPHS requerido se recomienda:

    Velocidades de rotacin de la bomba ms baja.

    Impulsor de doble succin.

    Ojo del impulsor ms grande.

    Varias bombas pequeas en paralelo.

    Tarea: golpe de ariete (caractersticas y medidas de prevencin)