TEORÍA Y PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO -...
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BOMBAS HIDRÁULICAS
Emilio Rivera Chávez
MEC-2249MECÁNICA DE FLUIDOS II
2008-2010
TEORÍA Y PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
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Definición
La bomba hidráulica es una máquina que recibe energíamecánica de una fuente exterior que puede provenir deun motor eléctrico, térmico, etc., y la transforma enenergía que la transfiere a un fluido como energíahidráulica la cual permite que el fluido pueda sertransportado de un lugar a otro, a un mismo nivel y/o adiferentes niveles y/o a diferentes velocidades.
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Las bombas mecánicas son la segunda máquina mas común
en el mundo industrial (después de los motores
eléctricos).
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Elementos Principales
Las bombas mueven un cierto volumende líquido entre dos niveles; son pues,máquinas hidráulicas que transformanun trabajo mecánico en otro de tipohidráulico. Los elementos de queconsta una instalación son:
Una tubería de aspiración
El impulsor
Carcasa (Cámara, caja)
Una tubería de impulsión
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Tipos de bombas hidráulicas
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BOMBAS HIDRAÚLICAS
Desplazamiento positivo
Roto Dinámicas
Engranajes, …Pistón (émbolo)
Reciprocantes Rotatorias Centrífugas
Flujo radial, …
Clasificación
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Estas bombas guían al fluido que sedesplaza a lo largo de toda su trayectoria, elcual siempre está contenido entre elelemento impulsor, que puede ser unembolo, un diente de engranaje, un aspa,un tornillo, etc., y la carcasa o el cilindro. “Elmovimiento del desplazamiento positivo”consiste en el movimiento de un fluidocausado por la disminución del volumen deuna cámara. Por consiguiente, en unamáquina de desplazamiento positivo, elelemento que origina el intercambio deenergía no tiene necesariamentemovimiento alternativo (émbolo), sino quepuede tener movimiento rotatorio (rotor).
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Bombas de desplazamiento positivo
Bombas Reciprocantes
Llamadas también alternativas, en estas máquinas, elelemento que proporciona la energía al fluido lo hace enforma lineal y alternativa. La característica defuncionamiento es sencilla.
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Bomba Rotatoria
Llamadas también roto-estáticas,debido a que son máquinas dedesplazamiento positivo, provistasde movimiento rotatorio, y sondiferentes a las roto-dinámicas.
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Estas bombas tienen muchas aplicaciones según el elemento
impulsor. El fluido sale de la bomba en forma constante. Su
principal aplicación es la de manejar líquidos altamente viscosos,
lo que ninguna otra bomba puede realizar y hasta puede carecer
de válvula de admisión de carga.
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Bomba rotatoria.- de Engranajes
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Mientras los engranajes giran y losdientes en el lado de succión se acercan alpunto de engrane de las ruedas, se crea unvacío y el aceite fluye hacia el espacioentre los flancos de los dientes y la paredde la carcasa.
El aceite en las cámaras es transportadohacia el lado de presión de la bomba. Allílos dientes engranan y el aceite es forzadoa salir desde el espacio entre dientes haciael puerto de descarga de la bomba.
El engrane entre dientes evita que el aceite fluya del lado depresión al lado de succión de la bomba. Así el aceite es llevado dellado de succión al lado de presión a lo largo de la pared delalojamiento de los engranajes! La presión en el lado de presión estádeterminada por la resistencia en el sistema.
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Bomba rotatoria.- de Engranajes
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BOMBAS DE ACCION DINÁMICA
Estas bombas, se denomina así porque el movimiento de su órganoprincipal transmisor de energía, el rodete, rotativo y la dinámica dela corriente juega un rol esencial en la trasformación de energía. Poresto, también suelen denominarse bombas “rotodinámicas”
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Por ello el funcionamiento de estas bombas se basa en laecuación de Euler, para las turbomáquinas.
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Simple etapaMúltiple etapa
Baja presiónMedia presiónAlta presión Eje horizontal
Eje verticalEje inclinado
Flujo radialFlujo axialFlujo radial-axial
BOMBAS DE ACCION DINÁMICA
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Según la
dirección del flujoSegún la presión
generada Según el número
de rodetes
BOMBAS ROTODINAMICAS
Según la
posición del eje
Tipos
bomba de
bomba de
bomba de
bomba de
Independientemente de tipo de bomba rotodinámica,
todas reciben en la practica el nombre de bomba
centrífuga.
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Bomba Centrifuga
Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica quetransforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio llamadorodete en energía cinética y potencial requeridas. El fluido entrapor el centro del rodete, que dispone de unos álabes paraconducir el fluido, y por efecto de la fuerza centrífuga esimpulsado hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa ocuerpo de la bomba, que por el contorno su forma lo conducehacia las tubuladura de salida o hacia el siguiente rodete(siguiente etapa).
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Bomba Centrifuga
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Bombas de flujo radial (Radial Flow, centrifugal pump)
una bomba centrífuga, en el que la presión es desarrolladaenteramente por la fuerza centrífuga..
Bombas de Flujo axial (Axial Flow)
una bomba centrífuga, en la que la presión es desarrollada porla acción de impulso o elevación de los álabes del impulsor sobreel líquido.
Bombas de Flujo Mixto (Mixed Flow)
una bomba centrífuga, en la que la presión es desarrollada enparte por la fuerza centrífuga y en parte por la acción delimpulsor sobre el líquido. El diámetro de descarga de losimpulsores es mayor que el de entrada.
Como ya se dijo las bombas “centrifugas” se clasifican
según el la dirección del flujo en:
Bomba Centrifuga
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Conversión de la energía cinética en energía de presión
La idea clave es que la energía creada
por la fuerza centrífuga es energía
cinética. La cantidad de energía dada
al líquido es proporcional a la
velocidad en la extremidad del borde o
del álabe del impulsor. Cuanto más
rápidamente gira el impulsor o cuanto
más grande es el impulsor, entonces
más alta será la velocidad del líquido
en la extremidad del alabe y mayor es
la energía impartida al líquido.
Generación de la Fuerza Centrífuga
El líquido entra en el tubo desucción y luego en el ojo (centro)de un dispositivo que giraconocido como rodete. Cuando elimpulsor rota, hace girar el líquidoque se introduce en las cavidadesentre los alabes hacia fuera yproporciona de esta manera laaceleración centrífuga.
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Bomba Centrifuga
Así el líquido sale del ojo delimpulsor, una zona de baja presiónse crea lo que hace fluir mas líquidohacia la entrada. Debido a que losálabes del impulsor son curvos, ellíquido es empujado hacia adentro enuna dirección tangencial y radial porla fuerza centrífuga.
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Generación de la Fuerza Centrífuga
Bomba Centrifuga
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Esta fuerza que actúa
dentro de la bomba es
la misma que guarda el
agua dentro de un
cubo que esté rotando
en el extremo de una
cuerda.
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Generación de la Fuerza Centrífuga
Bomba Centrifuga
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Bomba Centrifuga
Conversión de la energía cinética en energía de presión
Esta energía cinética del líquido que
sale del impulsor es utilizada para
encaminar al fluido hacia la brida de
impulsión creando una resistencia al
flujo. La primera resistencia es
creada por la voluta de la bomba
(cubierta) ese los retenes el líquido y
lo retarda abajo. En el inyector de la
descarga, el líquido posteriormente
decelera y su velocidad se convierte
en presión de acuerdo con el
principio de Bernoulli.
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Bomba Centrifuga
A bomba centrifuga tienen esencialmente dos partes:
Una parte rotativa compuesta de un impulsor y un eje(flecha).
Una parte estacionaria que comprende la voluta, lacarcasa, y los rodamientos.
Partes Componentes de una Bomba Centrifuga
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Bomba CentrifugaPartes Componentes de una Bomba Centrifuga
La figura mustra todos loas componetes , tanto de la parterotativa como la estacionaria de una bomba centrifuga:
La tubería de aspiración, que concluye prácticamente en labrida de aspiración.
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Bomba CentrifugaPartes Componentes de una Bomba Centrifuga
El impulsor o rodete, formado por una serie de álabes que giran dentro deuna carcasa. El rodete va unido solidariamente al eje y es la parte móvil de labomba. El líquido entra axialmente por la tubería de aspiración hasta elcentro del rodete, experimentando un cambio de dirección más o menosbrusco, pasando a radial, (en las centrífugas), o permaneciendo axial, (en lasaxiales).
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Bomba CentrifugaPartes Componentes de una Bomba Centrifuga
La voluta está dispuesta en forma de caracol, de tal manera, que la separación entre
ella y el rodete es mínima en la parte superior; la separación va aumentando hasta que
las partículas líquidas se encuentran frente a la abertura de impulsión.
La voluta es un transformador de energía, ya que disminuye la velocidad, aumentando la
presión del líquido a medida que el espacio entre el rodete y la carcasa aumenta.
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Bomba CentrifugaPartes Componentes de una Bomba Centrifuga
Tubería de impulsión.- La finalidad de la voluta es la de recoger el líquido agran velocidad, cambiar la dirección de su movimiento y encaminarle hacia labrida de impulsión de la bomba.
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Bomba CentrifugaPartes Componentes de una Bomba Centrifuga
Vista en corte de una bomba
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La función de la voluta en una bomba
centrifuga es convertir la energía cinetica
impartida al liquido por el impulsor en
energía de presión. Esto se lleva a cabo
mediante reducción de la velocidad por
un aumento gradual del área.
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Tipos de impulsores
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¡Recuerda¡! el impulsor es el
corazón de la bomba
centrífuga. Recibe el líquido
y le imparte una velocidad
de la cual depende la carga
producida por la bomba.
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Bomba centrifuga multi-etapa.
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Modelo matemáticoPolígono de velocidades
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Modelo matemáticoPolígono de velocidades
)(1122 tteje
VrVrQT
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1
r1
r2
2
12
u2
vr2
V2
u1
vr1
V1
)(coscos aVuVV rt 1111111
)( bsenVsenVV rn 111111
)(coscos aVuVV rt 20222222
)( bsenVsenVV rn 222222
Del los diagramas de velocidades se tiene:
1
2
El par en el eje esta dato por la ecuación de Euler:
mec
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Para condiciones de máxima potencia, el ángulo 1 debe tener un valor ideal de 90.Es decirque la velocidad absoluta de entrada debe ser radial, es decir que la componente tangencial a
la entrada Vt1 es cero. En estas condiciones la potencia y la altura de Euler están dadas por:
Modelo matemáticoAltura de Euler
)5()cos(222
VrQPm
)3()coscos(111222
VrVrQPm
)6()cos(
22222
g
Vu
g
VrH t
u
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La potencia mecánica a partir de la ecuaciónde Euler se puede escribir de la siguientemanera:
1
r1
r2
2
12
u2
vr2
V2
u1
vr1
V1
La cabeza o áltura de carga de Euler seobtiene dividiendo ambos miembros de
la ecuación 3 entre gQ
mec
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)coscos(111222
VrVr
gQg
PH m
u
)(1122 ttu
VrVrg
H
)4(1122
g
VuVuH tt
u
Modelo matemáticoAltura de carga (cabeza) vs. Caudal
2222
2
2222
ctgVu
sen
VuV n
n coscos
)7(
cos2222222
g
ctgVuu
g
VuH n
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22222 coscos rVuV
2
22222
sen
VVsenVV n
rrn
bD
QVbDVAVQ nnflujon
2
22222
)()(
)8(
2
2
2
2
2
222
2
2
g
ctgbD
Quu
g
ctgVuuH n
)9(
2
22
2
2 QbDg
ctgu
g
uH
Combinando adecuadamente las ecuaciones anteriores se tiene:
De la ecuación (2a).-
De la ecuación (2b).-
Y combinado estas las
ecuaciones anteriores, se tiene.-
Reemplazando en la ecuación
(6), se obtiene.-
Por otra parte a partir de la
definición de caudal, se puede
calcular Vn2, así.-
Sustituyendo este resultado en
(7).-
Finalmente se puede escribir.-
mec
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Modelo matemáticoAltura de carga (cabeza) vs. Caudal
)(721 QCCH
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bDg
ctguCy
g
uC
2
222
2
21
2>90
2=90 (válvula cerrada)
2<90
La ecuación anterior (7) muestra que la carga (cabeza) de una bomba es, teóricamente, una función lineal del caudal., para fines de análisis esta ecuación conviene expresarla del siguiente modo:
Donde:
mec
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6
2
2
2
2
0
r
g
uH
Q
H
)(721 QCCH
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bDg
ctguCy
g
uC
2
222
2
21
Punto óptimo de funcionamiento
Curva H vs. Q
Pérdidas por fricción de flujo interno
Efecto de flujo circulatorio.
Pérdidas por impacto en
condiciones de no diseño.
H=Ho- CQ2
mec
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Modelo matemáticoAltura de carga (cabeza) vs. Caudal
Typical system and pump performance
curves
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hp
spielb550P
Qp
(
6012
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mec
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Q p P cfm pca. hp %
6000 2.1 2.75 72.2
8000 2 3.18 79.3
10000 1.76 3.48 79.7
12000 1.37 3.51 73.8
14000 0.92 3.5 58.0
16000 0.42 3.22 32.9
Problema
hp
spielb550P
Qp
(
6012
Los datos de funcionamiento de un ventilador
centrifugo de 36.5 pulg. De diámetro, probado a
600 rpm, se muestran en la tabla. Grafique los
datos de funcionamiento contra la relación de
flujo volumétrico. Encuentre el punto de máxima
eficiencia y especifique la capacidad nominal del
ventilador en ese punto.
80
Q9000 cfm
Curvas de opereación
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Millares
Q (cfm)
dp
; P
"Incremento de
presión"
"Entrada de
Potencia"
eficiencia
estática
100
0
miles
problema
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Una bomba centrifuga toma 200 galones por minuto desde una
presión de 13 psi hasta una presión p2. El diámetro interno del
impulsor es 3 pulg. Y el diámetro externo de este es 0.8 pies. Si
la potencia de la bomba es de 26.5 hp al girar a una velocidad de
1750 rpm. ¿Cuál debería ser el ángulo 2 del álabe? La eficiencia
es 80%. El ancho de los álabes es b=2 pulg. Si el fluido de salida
se encuentra a la misma elevación del fluido de entrada. ¿Cuál
es p2?
mec
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S
E
Altura hidráulica desarrollada por una bomba centrífuga.
La altura hidráulica útil o neta, H,desarrollada por una bomba sedetermina midiendo la presión enaspiración y en la salida de labomba, calculando lasvelocidades mediante la divisióndel caudal de salida entre lasrespectivas áreas de lassecciones transversales yteniendo en cuenta la diferenciade altura entre la aspiración y ladescarga.
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H
Altura hidráulica desarrollada por una bomba centrífuga.
Altura útil o altura efectiva H que da la bomba esla altura que imparte el rodete o la altura teórica,Hu, menos las pérdidas en el interior de la bomba,Hr-int
int
ruHHH
31/05/2010 38Emilio Rivera Chavez-MEC2249
uuHHH
uHH )1(
uhHH
urHH
int
Altura hidráulica desarrollada por una bomba centrífuga.
31/05/2010 39Emilio Rivera Chavez-MEC2249
E
S
1
2
ZE
ZS
Z2
Altura hidráulica desarrollada por una bomba centrífuga.
31/05/2010 40Emilio Rivera Chavez-MEC2249
E
S
1
2
ZE
ZS
Z2
g
pZ
g
VH
g
pZ
g
VS
S
SE
E
E
22
22
g
ppZZ
g
VVH ES
ES
ES
2
22
g
ppH ES
Recuerda: La altura útil es la diferencia de alturas totales
entre la salida y la entrada de la bomba. Esta diferencia es el
incremento de altura útil comunicada por la bomba al fluido
El término ZS-ZE suele ser o muy pequeño o igual a cero en las bombas de eje vertical.
La diferencia de energía cinética también suele ser igual a cero o despreciable.
Entonces algunas veces exactamente y en otras muy aproximadamente la altura útil es
igual a:
g
pZ
g
V
g
pZ
g
VH E
E
ES
S
S
22
22
Altura hidráulica desarrollada por una bomba centrífuga.
31/05/2010 41Emilio Rivera Chavez-MEC2249
E
S
1
2
ZE
ZS
Z2
extrH
g
pZ
g
VH
g
pZ
g
V
2
2
2
21
1
2
1
22
extrH
g
ppZZ
g
VVH
12
12
2
1
2
2
2
sucrasprHHZH
2
extrHZH
2
Potencia de accionamiento de una bomba centrífuga.
31/05/2010 42Emilio Rivera Chavez-MEC2249
TPa
m
u
a
gQHP
hm
a
HgQP
Pr
QQQ QQr
1
QQVr
v
r
hm
a
QHgP
hvmtotal
Potencia útil
Se define como la potencia absorbida por el líquido en la bomba y
es proporcional a la altura de carga útil. (carga hidrostática neta) por
lo que se puede calcular a partir de este último parámetro.
uhutilHgQgQHP
Ventiladores, soplantes ycompresores
Un ventilador es esencialmente una “bomba” de gas.
Es una turbomaquina hidraulica generadora para gases
ΔP≤100mBar entonces es VENTILADOR
ΔP≥100mBar entonces es SOPLANTE
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El principio de funcionamiento de los ventiladores es el
mismo que el de las bombas.
Las ecuaciones fundamentales, tales como la de Euler,
perdidas, rendimientos, etc. son validas para los
ventiladores si se considera que a bajas presiones, las
variaciones de peso especifico son despreciables (flujo
incompresible).
Ventiladores, soplantes ycompresores
Fin de la presentación
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