Bernoulli en Bombas

BOMBAS

• Una bomba es una máquina generadora

para líquidos.

• La bomba absorbe energía mecánica y

restituye al líquido que la atraviesa,

energía hidráulica.

BOMBAS

• Los elementos principales de una

instalación son una bomba y dos tuberías:

– Una de ingreso o succión (S). – Otra de descarga (entrega) (H).

• Las

siguientes

características

se

BOMBAS

• CCaabbeezza a eessttááttiicca a o o dde e eelleevvaacciióón n HH _stst, es la diferencia entre la elevación de las tanques superior e inferior (headwater y tailwater), z _hw y z_tw respectivamente.

• La altura a la cual se eleva el líquido es entonces:

tw hw

st

z

z

H

= −

• Si el líquido es enviado a un tanque que se mantiene con un exceso de presión p, la cabeza estática es: g p z z H _{st hw tw} ρ + − =

• La cabeza de succión H La cabeza de succión H _ss es la altura de la bomba sobre el nivel del tanque más bajo (tailwater) o nivel aguas abajo.

BOMBAS

• P Prreessiióón n een n lla a eennttrraaddaa:: si escribimos Bernoull entre el nivel aguas abajo y el ingreso a la bomba, la presión, velocidad y z = 0 (por el nivel de referencia, tenemos entonces:

suc s

h

V

H

p

+ + + = 0 2 1 1

• Donde p ₁ / ρg es la succión hidráulica correspondiente al ingreso en la bomba, h _suc son pérdidas hidráulicas en la línea de succión, luego:













+ + − = suc s h g V H g p 2 2 1 1 ρ

BOMBAS

• De esto vemos que p ₁ / ρg<0. Esto indica vacío en el ingreso a la bomba. H _v llamada elevación de succión de vacío. suc s v _h g V H H = + ₂ + 2 1

• La presión absoluta en un líquido no puede se negativa, de lo contrario habría discontinuidad en el flujo (p_a>0). Entonces: g p H _v atm ρ <

• A nivel del mar p_atm≈0.1MPa, i.e. H_v<10m. De aquí vemos que la altura de succión de una bomba no debería ser mayor a 10 m.

BOMBAS

• PPrreessiióón n een n ssaalliidda a ((eennttrreeggaa)) : si escribimo Bernoulli entre la salida de la bomba y el nivel superior aguas arriba, la presión y velocidad en éste último punto es 0, tenemos entonces:

h H V H p + = + + 2 2 2 g g ρ

• Donde h_d son las pérdidas hidráulicas en la línea de descarga, luego la presión que buscamos es:

d s st h g V H H g p + − − = 2 2 2 2 ρ

BOMBAS

• Cabeza de la bomba (H): Cabeza de la bomba (H): es igual a la diferencia de energía específica del líquido entre el tubo de descarga e₁ y el de succión e₂: 1 2

e

e

H

= − • A licando Bernoulli: perd st h H H = +

• Si se conoce la presión a la que trabaja la bomba:

g p H

ρ

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• Capacidad de una bomba:

– Una característica importante de la operación de una bomba es la entrega del líquido (descarga) Q, i.e. volumen del líquido entregado por la bomba al, tubo de presión, por unidad de

.

– Luego la potencia bruta útil transferida por la bomba al líquido es N_liq:

gQH

N

_liq = ρ

BOMBAS

– Una cierta parte de la energía N recibida por la bomba no es transferida al fluido, debido a las pérdidas de energía, las cuales con tomadas en cuenta por la eficiencia η:

N _liq = N η η ρ QH N gQH N ó 9.81 1000 = =

– Usando las dos ecuaciones anteriores, encontramos la fórmula que define la potencia requerida para mover la bomba.

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• La bombas se clasifican en:

– Rotodinámicas: a este grupo pertenecen las bombas que son turbo máquinas.

• Estas son siempre rotativas. Su funcionamiento se basa en_{la ecuación de Euler y su órgano transmisor de energía se} llama rodete.

• Se llaman rotodinámicas porque su movimiento es rotativo y el rodete comunica energía la fluido en forma de energía cinética.

– Bombas de desplazamiento positivo: a este grupo pertenecen no solo las bombas alternativas, sino las rotativas llamadas roto estáticas, porque son rotativas, pero en ellas el rodete comunica energía al fluido en forma de presión.

• Su funcionamiento se basa en el principio de desplazamiento positivo.

BOMBAS

Bombas

Dinámicas Desplazamiento

Principio de operación

Acción en el líquido Movimiento del elemento de trabajo Impulsor Fricción eciprocantes R Rotativas

C e n t r í _f u g a s F l u j oM i x t o F l u j o a x i a l R e m o l i n o J e t E l e v a c i ó n c o n a i r e P i s t ó n P l un g e r D i a f r a g m a N e u m á t i c a E n g r a_n a j e s T o r n i l l o P a l e t a s L ó b u l o s

BOMBAS

• Clasificación

de

las

bombas

de

desplazamiento positivo:

– Según el movimiento de su órgano desplazador: • Rotativas. • Reciprocantes. – z : • Máquinas de émbolos. • Máquinas de engranajes. • Máquinas de paletas.

– Según la variedad del caudal: • Máquinas de desplazamiento fijo.

BOMBAS

• Tipos de bombas de desplazamiento positivo

rotativas:

BOMBAS

• Tipos de bombas de desplazamiento positivo

rotativas:

BOMBAS

• Las cabeza de presión que pueden alcanzar

una bomba de desplazamiento positivo, en

teoría es ilimitado.

• Depende únicamente de la fuerza que pued

generar el miembro de trabajo y de la fuerza

o capacidad de soportar las cargas, de los

componentes.

• De aquí que nunca se debe de cerrar la línea

de

descarga

de

una

bomba

de

desplazamiento

positivo

durante

su

BOMBAS

• El caudal que manejan las bombas de

desplazamiento positivo está en relació

directa a la cantidad de ciclos por unidad de

tiempo en el que funcionan.

• El otro parámetro es el volumen de las

elevado de presión.

• E.g. para una bomba reciprocante con un

cilindro redondo, el volumen es el área del

círculo que lo conforma por su carrera, y el

caudal, este volumen por el número de ciclos

en una unidad dada de tiempo.

BOMBAS

• Por tanto el caudal entregado por las bo mbas de desplazamiento positivo en general es:

rec

Vol

Q

=

∑

BOMBAS

• Una diferencia entre las bombas de

desplazamiento positivo y las dinámicas es

que las primeras envían caudal por pulsos.

• I.e. como atrapan cierta cantidad de líquido

en compartimientos separados, éste e

enviado de manera no constante, sino en las

cantidades que pueden acomodar esta

cantidades.

• Por eso se utilizan mucho los acumuladores

para sopesar esta pulsación en el envío de

fluido.

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• Bomba de paletas:

– Este consta de un rotor que gira en un eje excéntrico, dentro de una cámara en forma de anillo.

– Este rotor consta de ranuras, on e se a o an paletas de un material sintético.

– Se tiene una placa de puertos, donde están los puertos de ingreso y descarga del fluido.

BOMBAS

• Bomba de paletas:

– Mientras el rotor gira, las paletas son empujadas por la fuerza centrífuga y por presión de aceite. El anillo no gira.

– Conforme las paletas hacen contacto con el

, .

– Como el rotor es descentrado, se forma un volumen creciente y un decreciente dentro del anillo.

– Como no hay puertos de salida en el anillo, una placa de puertos es utilizada.

BOMBAS

• Bomba de paletas:

– El puerto de entrada se ubica donde se incrementa el volumen.

BOMBAS

• Bomba de paletas:

– El diseño mostrado anteriormente es desbalanceado.

– Como se puede notar, existe más presión en un lado del eje que en el otro (tenemos una región

, una fuerza desbalanceada en el eje.

– Este diseño está prácticamente circunscrito al uso en bombas de caudal variable. Este diseño lo veremos más adelante.

BOMBAS

• Bomba de paletas:

– La mayoría de bombas de paleta de desplazamiento fijo, utilizan el diseño balanceado.

– Este consiste en cambiar el anillo circular por uno de forma de leva (elíptico).

– o anter or perm te e uso de dos puertos de entrada y dos de salida.

– Los puertos de entrada se encuentran ubicados 180° con respecto al otro, con lo que se anulan las fuerzas que producen estas zonas de alta presión sobre el eje.

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• Bomba de paletas:

– Ambos puertos de entrada están conectados entre sí, así como los de salida, para tener solamente un puerto en la carcasa para cada uno.

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• Bomba de paletas:

– El ensamblaje de una bomba de paletas es una unidad integral llamada ensamblaje de cartucho.

, rotor y anillo, entre dos placas con los puertos. – Esto ayuda en el

mantenimiento, pues al haber desgaste, se cambia todo el cartucho.

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• Bomba de paletas:

– En ciertas aplicaciones se necesita cambiar el caudal que entrega la bomba.

– Este puede lograrse aumentando disminuyendo las revoluciones del motor.

– , y u

menos de manera continua, es decir, sobre la marcha y de manera que podamos cambiar el caudal desde el mínimo al máximo con posibilidades infinitas entre estos límites.

– Esto se logra con bombas con compensación de presión.

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• Bomba de paletas:

– Estas bombas tienen la habilidad de reducir el desplazamiento, al alcanzar cierta presión.

– Las bombas de paletas de caudal variable tienen la misma construcción que las normales, lado a lado.

– Por simplicidad, se muestra el mecanismo con un tornillo.

– Al estar el tornillo completamente metido, se obliga al anillo a estar descentrado con respecto al rotor. Así funciona la bomba normalmente.

BOMBAS

• Bomba de paletas:

– Al aflojar el tornillo, el anillo puede moverse libremente y poco a poco buscara estar centrado con el rotor.

– Cuando esto ocurre, los espacios que forman las paletas, poco a poco van

y

de alta y baja presión, se equiparan. – Eventualmente, no existe diferencia y se

deja de bombear.

– Con este mecanismo, se puede regular el caudal desde el máximo hasta cero.

BOMBAS

• Bomba de paletas:

– El compensador de presión es por lo regular un resorte ajustable, que mantiene el anillo descentrado.

– Al aumentar la presión (pues no es balanceado el motor),_{esta fuerza vence el resorte y se reduce} automáticamente el caudal.

BOMBAS

• Bomba de paletas:

– Para que una bomba de paletas funcione de manera adecuada, un buen sello debe existir entre la punta de la paleta y el anillo.

– Cuando se inicia la operación, se cuenta .

– Por eso la mínima velocidad a la que funcionan las bombas es a 600 rpm.

– Al generarse más presión en el sistema, debe haber un mejor sello, de manera que no exista fuga entre las paletas y el anillo.

BOMBAS

• Bomba de paletas:

– Para mejorar el sello, se construye la bomba de manera que el fluido a presión entre en la parte de debajo de la paleta, ejerciendo presión hacia arriba.

,

mejor sello contra el anillo.

– Al aumentar la presión, aumenta la fuerza contra el anillo y también el desgaste y la fuerza necesaria para mover el rotor.

BOMBAS

• Bomba de paletas:

– Para evitar esto, se construye la paleta con un chaflán de manera que parte de la presión que actúa

r l r inf ri r l

paleta, actúe en la parte superior también.

– Solamente en la parte donde existe desbalance, se genera la fuerza para sellar la paleta.

BOMBAS

• Bomba de paletas:

– Aún con este diseño, a altas presiones, se tiene mucho desgaste.

– El diseño común para sistemas de alta presión cons s e en pa e as o es, paletas internas, paletas con empuje de resorte, paletas con pines y paletas en ángulo.

– En las paletas dobles, éstas están completamente balanceadas.

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• Bomba de paletas:

– La paleta interna es otro tipo de construcción que consiste en una pequeña paleta dentro de otra paleta más grande, con la punta achaflanada.

,

genera menor fuerza de la paleta grande contra el anillo.

BOMBAS

• Bomba de paletas:

– En las paletas con pin, la presión es ejercida en el pin y este ejerce la fuerza hacia arriba a la paleta.

– En las paletas con resorte, éste es el que proporciona la fuerza hacia arriba.

– La otra solución para reducir la fuerza es colocar las paletas con cierto ángulo. Esto produc menos fuerza sin métodos mecánicos.

BOMBAS

• Bomba de paletas:

– Estas cubren el rango de bajo hasta medio-alto volumen, con presiones de operación de hasta 3000 psi.

– Son confiables, eficientes y fácil de mantener.

– y u u

mayor desgaste. Esto se compensa, haciendo que las paletas salgan más en la ranura.

– Limpieza y el uso del fluido apropiado es esencial para la larga vida de la bomba.

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• Bomba de engranes:

– Estas bombas generan la acción de bombeo cuando dos engranes, valga la redundancia engranan y desengranan.

BOMBAS

• Bomba de engranes:

– Un engrane movido por un eje motriz, mueve otro.

– Se generan cámaras entre los dientes de los engranes, la carcasa del compresor y las placas laterales (llamadas placas de presión o

esgas e .

– Un vacío parcial se encuentra en la succión de la bomba (un aumento en el volumen).

– El fluido fluye para llenar el espacio y es llevado por el exterior de los engranes.

– Cuando los dientes desengranan, empujan fluido hacia afuera.

BOMBAS

• Bomba de engranes:

– El diseño de esta bomba es desbalanceado.

– El tipo de bomba anterior es_{llamada bomba de engranes} externos. También llamada

. – Existen básicamente tres tipos

de engranes usados en estas bombas:

• Rectos

• Helicoidales

• Chevron (herringbone o espina de pescado)

BOMBAS

• Bomba de engranes:

– Una bomba con engranes internos consiste en un

engrane externo que

acopla con los dientes en el interior de un engrane mayor.

– Este tipo de bomba se conoce como engrane

en ro e engrane.

– Las cámaras de bombeo

se forman entre los

dientes.

– Un sello en forma de media luna es maquinado dentro del cuerpo de la válvula, entre el puerto de entrada y el de salida, donde el espacio entre dientes es máximo.

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• Bomba de engranes:

– El tipo de bomba de engranes internos más común es el gerotor. – Este consiste en un engrane interno motriz, con un diente menos que

el exterior.

– El engrane interno mueve el exterior.

– En un lado del mecanismo se tiene un volumen en aumento conforme los dientes se desacoplan.

– En la otra mitad un volumen decreciente se forma al acoplarse los dientes.

– El uerto de entrada salida está se arado or una laca como en los de paleta.

– Mientras el fluido es llevado de la succión a la descarga, un sello positivo se mantiene puesto que los dientes del engrane interior siguen el contorno de los valles y crestas del interior.

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• Bomba de lóbulos o roots:

– Estos funcionan bajo el mismo principio de los de engranes y se clasifica dentro de esta familia.

– Posee más desplazamiento que los de engrane. – Pueden ser de dos, tres o cuatro lóbulos.

BOMBAS

• Bomba de engranes:

– La mayoría de bombas son de desplazamiento fijo.

– Están en el rango de bajo a alto volumen.

– Debido al desbalanceo inherente, su usan en .

– El deslizamiento aumenta al aumentar desgaste.

– Son bastante durables y más tolerantes a la _{suciedad que otros tipos.} – Una bomba con muchas cavidades genera

BOMBAS

• Bomba reciprocantes:

– Estas generan el flujo de líquido con el principio que un actuador reciprocando, succiona fluido al estar retraído y expulsa el mismo en la carrera de salida.

– Dos diseños básicos existen: • a a es e p s ones

• Axiales

– Bombas con plunger o pin – Bombas de doble acción – Bombas de diafragma – Bombas de pistones

– Ambos en opciones de desplazamiento fijo variable.

BOMBAS

• Bomba de plunger (pin):

– La bomba de plunger o pin, consta de una carcasa, el pin con diámetro d que reciproca con una carrera s , y dos válvulas.

– El pin al moverse a la derecha, aumenta el volumen de la cámara y crea un vacío y el líquido es

.

– En el momento en que el movimiento es contrario, el volumen se disminuye y se empuja el líquido fuera de la cámara.

– Una característica particular de esta bomba es que la entrega es afectada por pulsos, i.e. la entrega de fluido no es continua.

BOMBAS

• Bomba de doble acción:

– La bomba de doble acción consiste en un pistón reciprocando dentro de un cilindro.

– El cilindro tiene dos grupos de válvulas: • De descarga

•

– Cada revolución del volante, produce una doble descarga de fluido, mejorando bastante l pulsación en entrega que sufre la bomba de pin.

BOMBAS

• Bomba de diafragma:

– Esta se diferencia en que posee un diafragma flexible hecho de hule. – Este se deforma a lo

proporcionada por una barra, cambiando el volumen de la cámara. – Posee sus válvulas de

BOMBAS

• Bomba de pistón:

– Estas generan el flujo de líquido con el principio que un pistón reciprocando, dentro de un cilindro, que succiona fluido al estar retraído y expulsa el mismo en la carrera de salida.

– Dos diseños básicos existen: • a ae s

• Axiales

– Ambos en opciones de desplazamiento fijo variable.

– Una bomba radial tiene los pistones colocados radialmente en un bloque con cilindros, mientras que una axial los pistones son paralelos al eje.

BOMBAS

• Bomba de pistón:

– Pistones Radiales:

• Un bloque de cilindros gira en un eje estacionario y dentro de un anillo circular.

• Mientras el bloque gira, la fuerza centrífuga, la presión del sistema o algún tipo de acción mecánica hace que

os p stones pres onen so re e an o, s gu en o su contorno, estando este último excéntrico del eje.

• Mientras los pistones reciprocan en sus agujeros, los puertos en el eje permiten que ingrese fluido en estos últimos cuando el pistón se retrae y que expulse el líquido cuando estos regresan.

• El tamaño, número de pistones y la longitud de la carrera determinan el caudal.

BOMBAS

• Bomba de pistón:

– Pistones Radiales:

• En algunos modelos se puede aumentar o disminuir el caudal al variar la excentricidad del anillo exterior.

BOMBAS

• Bomba de pistón:

– Pistones axiales:

• En este tipo de bombas el bloque de cilindros y el eje motriz están en la mismo eje de rotación y los pistones reciprocan paralelo a este eje.

BOMBAS

• Bomba de pistón:

– Pistones axiales:

• El mecanismo de la bomba de pistones básicamente consiste en:

– Bloque de cilindros

– Pistones con sus zapatas – aca e zapa as

– Placa de empuje – Placa de puertos

BOMBAS

• Bomba de pistón:

– Pistones axiales:

• El funcionamiento es el siguiente:

– El bloque de cilindro consta de un agujero y un cilindro en el agujero (para el presente ejemplo).

– La placa de empuje está colocada en .

– La zapata del pistón va anclada sobre la placa de empuje.

– Conforme el bloque rota, la zapata del pistón sigue la superficie de la placa de empuje. – Como la anterior está en ángulo, esto resulta

en la reciprocación del pistón.

– En la mitad de una vuelta, genera aumento de volumen.

– En la otra mitad genera disminución en volumen.

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• Bomba de pistón:

– Pistones axiales:

• El funcionamiento es el siguiente:

– Las zapatas de los pistones son forzadas contra la_{placa de empuje por la placa de zapatas y un resorte.} – Para separar el fluido que entra del que sale se usa la

r i n r x r m bloque de cilindros.

BOMBAS

• Bomba de pistón:

– Pistones axiales:

• En bombas con desplazamiento variable, se varía el ángulo de la placa de empuje, haciendo más corta la carrera de los pistones.

• Esto se logra con un servocontrol, al mover la placa de empuje sobre un yugo, que permite el movimiento.

BOMBAS

• Bomba de pistón:

– Pistones axiales:

• Otro tipo de bomba es la de eje inclinado.

• En estas el bloque de cilindros gira con el eje, pero a un ángulo diferente.

• Los pistones están anclados a la brida del eje por uniones de bola. • Se fuerza el movimiento_{hacia adentro y afuera,} conforme cambia la distancia entre el eje y el bloque.

BOMBAS

• Bomba de tornillo:

– Sus miembros de trabajo son tres tornillos (uno dos según sea el caso):

• Uno central que es el motriz (macho). • Dos que son los seguidores.

–

.

– Los agujeros que albergan los tornillos están

ajustados de manera que se minimice e

espacio entre la carcasa y la superficie

externa.

– El perfil de los tornillos es especial, de manera

que existe encaje perfecto entre ellos.

BOMBAS

• Bomba de tornillo:

– Como resultado se tienen tres grupos de espacios cerrados formados entre los valles de los tres tornillos y la carcasa, desplazándose de izquierda a derecha, conforme gira el tornillo. – El líquido ingresa por IP y

llena los espacios a, b y c y es llevado al lado derecho de la bomba y sacado por DP.

BOMBAS

• Bomba de tornillo:

– Las bombas de tornillo pueden crear una gran presión y asegurar una descarga uniforme.

– Son muy utilizadas para bombear lubricantes. – Pueden ser de dos tornillos o uno.

– as om as e orn o no neces an e es para os tornillos seguidores, debido a la forma en que encajan con la carcasa y el motriz.

– Sin embargo, existe un gran desgaste de los mismos si el líquido que se bombea no posee una buena lubricidad.

BOMBAS

• Otros tipos de bombas:

– Bomba

de

miembro

flexible:

• Una manguera que al recibir presión de un rodillo ex ulsa el lí uido.

– Bomba

de

cilindros

circunferenciales:

• Parecido al funcionamiento de los de engranes y de lóbulos, pero con el miembro actuador de manera especial.

BOMBAS

• Clasificación de las bombas rotodinámicas:

– Según la dirección del flujo:

• Bombas de flujo radial (centrífugas). • De flujo axial.

• De flujo radio axial.

– Según la posición del eje: • Bombas de eje horizontal. • Bombas de eje vertical. • Bombas de eje inclinado.

– Según la presión engendrada: • Bombas de baja presión.

• Bombas de media presión. • Bombas de alta presión

BOMBAS

• Clasificación de las bombas rotodinámicas:

– Según la entrada del flujo a la bomba: • De simple aspiración.

• De doble aspiración.

– Según el número de rodetes:

• .

BOMBAS

• En las bombas rotodinámicas, el líquido se

mueve bajo la fuerza creada en una cámara

que está en constante comunicación con la

tubería de succión y descarga.

• En este grupo se clasifican, entre otras:

– Bombas de impulsor – Bombas periféricas – Bombas de jet

BOMBAS

• Bombas de impulsor:

– Convierten energía debido a la interacción dinámica entre el flujo del líquido y las aspas del impulsor rotando, que es el miembro de trabajo de la bomba.

• Centrífugas • Flujo axial • Flujo mixto

BOMBAS

• Bomba centrífuga:

– Una bomba centrífuga se compone de un impulsor con álabes curvos que está fijo a un eje y a una cámara que acomoda el impulsor. – El agua ingresa en la bomba a través de la

tubería de succión a la parte central del impulsor.

– Es empujado de este último hacia la cubierta en espiral, un ducto que se transforma en un pequeño difusor.

– El impulsor rota en dirección n, el líquido es transportado por los álabes y expulsado a la periferia.

BOMBAS

• Bombas centrífuga:

– La acción dinámica de los álabes en el flujo resulta en que la presión en la tubería de descarga es mayor que en la de succión.

– La bomba crea una dependiente de la velocidad de rotación del impulsor.

– A mayor velocidad, la mayor cabeza generada. – El eje puede ser

acoplado directamente a un motor eléctrico, lo que es muy conveniente.

BOMBAS

• Bombas flujo axial:

– Se compone de un impulsor con un cubo en el cual se colocan varios álabes.

– El eje rota en dos cojinetes, el inferior descansando en unas paletas radiales, llamado el ensamblaje de paletas alineadoras.

– El impulsor y el ensamblaje están colocados en una carcasa tubular que recibe y expulsa e agua que mueve la bomba.

– En este tipo de bombas el impulsor y el ensamblaje alineador, así como el patrón de flujo del agua, se representan por medio de secciones cilíndricas.

BOMBAS

• Bombas flujo axial:

– Una de estas secciones se observa en la figura.

– Los álabes se mueven en la dirección n .

– El agua entrando a los álabes ingresa e éstos en su línea centr l es e x uls d de ellos de manera oblicua, se mueve en líneas helicoidales. – Al pasar por las paletas

alineadoras, el agua vuelve a tomar dirección axial, lo que disminuye pérdidas hidráulicas y aumenta la cabeza desarrollada por la bomba.

BOMBAS

• Bombas periféricas (regenerativas):

– Están compuestas por un impulsor y una carcasa con un canal anular que tiene particiones.

– Pequeños álabes rectos del im ulsor, se trasla an arcialmente con el canal anular.

– Durante la rotación de los álabes, el fluido entra en estos y rotado por fuerzas centrífugas según se ilustra. – Las dos olas se mueven a través del

canal anular haciendo que el líquido se adhiera al impulsor y que se mueva de la succión a la descarga.

BOMBAS

• Tipos de bombas de impulsor:

– Bomba montada sobre cuna metálica. 1. Impulsor

2. Eje

3. Carcasa .

BOMBAS

• Tipos de bombas de impulsor:

– Bomba de doble entrada.

1.Carcasa 2 y 3. Soportes 4. Tapadera 5. Impulsor 6. Eje 7. Caja espiral

8. Estopa 9. Tubería 10. Sellos de anillo 11. Cojinetes 12. Acople

BOMBAS

• Tipos de bombas de impulsor:

– Bombas de flujo axial.

1. Cubo 2. Alabes 3. Cono 4. Eje 5. Paletas alineadoras 6. Cojinete inferior 7. Cojinete superior

8. Anillo inferior de soporte 9. Cámara del impulsor

10. Cámara del ensamblaje alineador 11. Codo de descarga

12. Sello de estopa 13. Acople al motor

BOMBAS

• Tipos de bombas de impulsor:

– Bombas de flujo mixto. 1. Alabes 2. Cubo 3. Eje 4. Cojinete guía 5. Cono 6. Carcasa 7. Paletas alineadoras 8. Codo de descarga 9. Estopa 10.Ensamblaje de cojinetes

BOMBAS

• Tipos de bombas de impulsor: – Bombas centrífugas verticales. 1. Impulsor 2. Caja espiral 3. Costillas rigidizantes 4. Sello de ranura 5. Eje 6. Cojinete guía

7. Chaqueta de acero inox 8. Cubierta fundida

9. Estopa 10. Soportes 11. Soportes

BOMBAS

• Tipos de bombas de impulsor:

– Bombas de varias etapas.

1. Impulsores 2. Eje común 3.Secciones bomba 4. Succión 5. Descarga 6. Barra de unión 7. Cojinetes 8. Estopas 9. Estopas

BOMBAS

BOMBAS

Bomba Centrífuga con impulsor jet

BOMBAS

Bomba Centrífuga impulsor de jet)

BOMBAS

Bomba Centrífuga de

pozo

BOMBAS

Bomba Centrífuga (con impulsor de

BOMBAS

Bomba Centrífuga de ozo rofundo (con impulsor de jet)

BOMBAS

BOMBAS

BOMBAS

BOMBAS

BOMBAS

BOMBAS

Tabla General Seleccionador de Tanque Hidroneumático

BOMBAS

BOMBAS

• Impulsor:

– El impulsor reviste formas muy variadas, cuando la aplicación lo requiere.

– El rodete en la figura es semi-cerrado y tiene sólo dos alabes para evitar obstrucciones por los sólidos.

– Estos pueden succionar algunos sólidos (incluso peces en barcos pesqueros).

BOMBAS

• Impulsor:

– Se pueden clasificar en cuatro tipos:

• Cerrado de simple aspiración: las caras interior posterior forman una caja, entre ambas están lo álabes.

• Cerrado de doble aspiración

• em -a er o e s mp e asp rac n: n a cara anterior, los álabes se fijan solo en la posterior.

• Semi-abierto de doble aspiración: Sin cara anterior o posterior, los álabes se fijan directamente al cubo.

BOMBAS

• Impulsor:

– Si la bomba es por etapas, de manera que el caudal de salida de un impulsor se dirige al siguiente, se prefiere que se coloquen los mismos en pares.

– Esto anula las fuerzas axiales que se pueden generar en el eje y en los cojinetes y estopas.

BOMBAS

• Impulsor:

– El impulsor de una bomba se diseñan de manera que a una carga y descarga dada, el rendimiento sea el óptimo.

– Por lo anterior, la forma de los impulsores cambia para adaptarse a estas condiciones de servicio.

– A mayor caudal, se maneja menor cabeza, y el rodete refleja esta condición.

– Cuando el flujo es completamente radial, la diferencia entre diámetro de entrada y salida son máximos. Entregándose la mayor carga en este esquema.

BOMBAS

• Impulsor:

– Cada rodete corresponde a un valor dado de la velocidad específica. – bombas geométricamente semejantes tienen la misma velocidad específica N_s (ó ω_s).

BOMBAS

• Sistema difusor:

– Consta de tres elementos: • Corona directriz

• Caja espiral • Cono difusor

– No siempre existen los tres elementos.

– .

– En la figura b existe caja espiral y cono difusor. – En la figura c existen los tres elementos.

BOMBAS

• Sistema difusor:

– El papel de los tres elementos es transformar la energía dinámica que da el rodete en energía de presión con el mínimo posible de pérdidas. – La caja en espiral tiene una construcción

es ecial ue consiste en una ca a formada o dos planos paralelos y cerrada por una superficie cilíndrica cuya directriz es una espiral logarítmica.

BOMBAS

• Cavitación en bombas:

– El diseño correcto de las turbo-bombas minimiza la posibilidad de que ocurra cavitación.

– En condiciones de operación adversas las presiones pueden disminuir y dar paso a la cavitación.

– Se usan dos parámetros para designar el potencial de cavitación:

• El número de cavitación

• La carga de succión positiva neta.

BOMBAS

• Cavitación en bombas:

– Si se considera una bomba que opera como en la figura:

• El punto 1 está en la superficie del líquido del lado de la succión el punto 2 es el punto de presión mínima dentro de la bomba. • Escribimos Bernoulli entre estos dos puntos:

L atm p _{z h} p g V − ∆ − − = γ 2 2 2 2

• Donde h_L es la pérdida entre el punto 1 y 2.

• ∆z = z₂- z₁y la energía cinética en 1 se supone insignificante. • La presión mínima permisible en el punto 2 es la presión de vapo

BOMBAS

• Cavitación en bombas:

– Si se sustituye la presión de vapor en la ecuación anterior, se puede decir que representa la carga d energía cinética máxima que puede haber en el punto 2 cuando la cavitación es inminente.

– La carga de succión positiva neta (NSPH) se define así:

v atm p

p − _{− −}

L

γ

– También podemos utilizar este término en turbinas, pero el h_L cambia de signo y el punto 1 cambia a la superficie del líquido aguas abajo.

– Finalmente para una bomba el NSPH, debe de ser menor o igual al término de la derecha de la ecuación anterior. – De las curvas características, podemos ver el NSPH,

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• Cavitación en bombas:

– Si la ecuación del NSPH se divide entre la carga cabeza de la bomba H_b, tenemos:

b L v atm H h z p p − ∆ − − = γ σ – .

– Este parámetro se emplea en vez del NSPH para establecer criterios de diseño. Se determina de manera experimental un número de cavitación crítico.

– Luego σ debe ser mayor que el número de cavitación crítico.

– Es preferible utilizar este número pues es adimensional, el NSPH no lo es.

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• Cavitación en bombas: – E.g.: Determine la

elevación respecto a la superficie del agua del depósito de succión en la que la bomba de 240mm de diámetro de la figura se puede colocar sin que experimente cavitación. Se bombea agua a 15°C a razón de 250 m 3 _/h.

Haga caso omiso de las pérdidas en el sistema. Use p_atm = 101 Kpa.

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• Cavitación en bombas:

– Solución: según se muestra en la figura con un caudal 250 m3 _{/h, la NSPH para el impulsor de 240 mm}

diámetro es aproximadamente 6.9 m.

– Para agua a 15°C, la p _v (de tablas) = 1666 Pa absoluta y = 9800 N/m3_{. Utilizamos la ecuación de NSPH con h}

L= 0. m NSPH h p p z atm v _L 24 . 3 9 . 6 0 9800 1666 101000 = − − − = − − − = ∆ γ

– Esto indica que la bomba puede colocarse aproximadamente 3.25 m arriba de la superficie del agua del tanque de succión.

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• Curvas características de bombas.

– Una etapa muy importante en el diseño de una unidad de bombeo es la cantidad de bombas a elegir, determinar el tipo, dimensiones parámetros básicos, potencia requerida y problemas al instalar.

– Es necesario determinar los modos de operación más probables.

– Las relaciones específicas de parámetros de la bomba versus condiciones de operación se representan en gráficas y se llaman características de la bomba.

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• Curvas características de bombas.

– Las características para un tipo de bomba (forma y dimensiones definidas) se dan pa ra una velocidad de rotación constante.

– A continuación se presentan algunas curvas características para diferentes tipos de bombas. – Al final se encuentran curvas características de

los mismos tipos de bomba, pero con sus parámetros de similitud.

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• Curva

característica de bomba centrífuga

BOMBAS

• Curva

característica

de bomba axial

BOMBAS

• Curva

característica de bomba flujo mixto

BOMBAS

• Curva característica de bomba centrífuga con parámetros adimensionales.

BOMBAS

• Curva

característica de bomba axial con parámetros

BOMBAS

• Curva

característica de bomba flujo mixto con parámetros adimensionales.

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• Empleo de turbo bombas en sistemas de

tuberías:

– La selección apropiada de una o más bombas para satisfacer las demandas de flujo de un sistema de tuberías requiere, además de una comprensión fundamental de la maquinaria, un análisis hidráulico de las bombas integradas en el sistema de tuberías.

– El procedimiento implica, no solo satisfacer los requisitos de flujo y presión del sistema, sino también asegurarse de evitar la cavitación y de escoger la bomba más eficiente.

BOMBAS

• Cómo escoger la bomba apropiada:

– Para una sola tubería que contiene una bomba para transportar el fluido entre dos depósitos, la curva de demanda del sistema se define como:

(

)

₂ 2 1 2 Q K L f z z H _b = − + +∑ 

– Donde se supone la presión atmosférica en ambos depósitos, aguas arriba y abajo.

– Estos tienen elevaciones z 1

y z 2

respectivamente. – z₂ siempre es más bajo que z₁.

– El factor f varía según la descarga (por Reynolds). – La anterior ecuación se representa a continuación:

BOMBAS

• Cómo escoger la bomba apropiada: – El primer término de la ecuación es la carga estática. – El segundo término es la pérdida de carga en la tubería y por pérdidas

. – Lo empinado de la curva de demanda (a) depende de la suma de coeficientes de pérdida del sistema. – Al aumentar estos, se aumenta la carga de bombeo requerida para la misma descarga (b).

BOMBAS

• Cómo escoger la bomba apropiada:

– Los sistemas de tuberías pueden experimentar cambios a corto plazo en la curva de demanda, como cuando se cierra una llave, o por e envejecimiento de tubos, que aumenta la pérdida.

– La curva puede cambiar de (a) a (b).

– Con una descarga de diseño dada, la ecuación permite seleccionar una bomba con base en la velocidad específica.

– Una vez determinado el tipo, se selecciona un tipo apropiado de la curva característica de fabricante.

BOMBAS

• Cómo escoger la bomba apropiada:

– La intersección de la curva característica con la curva de la demanda del sistema deseado proporciona la carga de diseño Hd y la descarga de diseño Q_d.

–

punto de máxima eficiencia de la bomba designado como punto operativo óptimo.

BOMBAS

• Bombas en paralelo o en serie:

– En algunos casos, las instalaciones de bombeo podrían tener una amplia gama de necesidades de carga y descarga, y una sola bomba no podría satisfacerlas.

– ,

bombas en serie o en paralelo para ofrecer una operación más eficiente.

– Se supone que las bombas se colocan en un solo lugar, conectadas con tuberías cortas.

– Si la demanda en el flujo es muy grande, dos más bombas se colocan en paralelo.

BOMBAS

• Bombas en paralelo:

– Las bombas se encienden individualmente para satisfacer demanda del flujo.

– No es necesario que sean bombas idénticas, pero las bombas que operen en paralelo no deben estar funcionando en zona indeseables.

– En este caso, se genera una curva característica combinada reconociendo que la carga a través de cada bomba es la misma.

– ,

BOMBAS

• Bombas en paralelo:

– Nótese la existencia de tres puntos operativos, en los que la bomba A o la B se emplean por separado y cuando se combinan.

– Se podrían encontrar otros puntos operativos, moderando el flujo o modificando las velocidades

.

– La eficiencia global de las bombas en paralelo es: b D W Q H ɺ ∑ ∑ = η

– Donde ΣW_b es la suma de la potencia individual que cada bomba requiere.

BOMBAS

• Bombas en serie:

– Si la demanda de carga es grande, bombas colocadas en serie producen un aumento de carga mayor que las bombas individuales.

– Puesto que la descarga por ambas_{bombas es idéntica, la curva} característica se obtiene sumando las cargas a través de cada bomba.

–

idénticas.

– En la figura se muestra que una sola bomba no puede suministrar toda la carga, pues su carga es menor que la carga estática del sistema.

– Hay dos puntos operativos, la bomba B sola o combinada con la A.

– La eficiencia global es:

– Donde ΣH_b es la suma de las cargas

individuales a través de cada bomba. b

D b W Q H ɺ ∑ ∑ = η

BOMBAS

• E.g.: Se bombea agua entre dos depósitos a través de una tubería con las características siguientes: D= 300 mm, L = 70 m, f = 0.025, ΣK = 2.5. La curva característica de la bomba de flujo radial se aproxima con la fórmula:

2 111 7 . 10 9 . 22 _{Q Q} H _b = + −

donde H_b está en metros y Q en m 3 _{/s. Determinar} la descarga Q_D y la carga H _D para las siguientes situaciones:

a) z2 _{– z}1_{= 15 m con la bomba funcionando.}

b) z₂ – z₁ = 15 m con dos bombas idénticas en paralelo.

BOMBAS

• Solución: a) primero se desarrolla la curva de demanda del sistema:

( ) 2 2 2 2 2 1 2 5 . 2 3 . 0 70 025 . 0 15 2 Q gA Q K D L f z z H _b        + + =       ∑ + + − = π 2 85 15 . 4 . Q + =  

• Para encontrar el punto operativo, igualamos l curva característica de la bomba a la curva de demanda. 2 2 111 7 . 10 9 . 22 85 15 D D D Q Q Q = + − +

BOMBAS

• Solución: Reduciendo y despejando Q_D:

(

)

m s Q Q Q D D D / 23 . 0 9 . 7 * 195 * 4 7 . 10 7 . 10 195 * 2 1 0 9 . 7 7 . 10 195 3 2 2 = + + = ∴ = − −

• Utilizando la curva de demanda del sistema

m Q H _b 5 . 19 23 . 0 * 85 15 85 15 2 2 = + = + =

• b) Para dos bombas en paralelo, la curva característica es: 2 2 75 . 27 35 . 5 9 . 22 2 111 2 7 . 10 9 . 22 Q Q Q Q H _b − + =       − + =

BOMBAS

• Solución: Igualando esto a la curva de demanda despejando Q_D: Q Q Q Q Q D D D D D 1 0 9 . 7 35 . 5 8 . 112 75 . 27 35 . 5 9 . 22 85 15 2 2 2 = − − − + = + s m D . . . . . 8 . 112 * 2 = + + = ∴ m Q H b 2 . 22 29 . 0 * 85 15 85 15 2 2 = + = + =

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• Solución: c) ya qu e z₂ – z₁ es mayor que la carga par una sola bomba (en ambos casos 25 m > que 22.2 m y 19.5 m, es necesario operar con do bombas en serie. La curva combinada es:

(

)

2 2 222 4 . 21 8 . 45 111 7 . 10 9 . 22 2 _{Q Q} H _{D D D} − + = − + = 2 85 25 Q H b + =

• La curva de demanda del sistema se modifica porque la diferencia de z es 25 m:

• Si igualamos las dos relaciones anteriores:

2 2 222 4 . 21 8 . 45 85 25 D D D Q Q Q = + − +

BOMBAS

• Solución: o bien: • Y finalmente:

(

)

m s Q Q Q D D D / 30 . 0 8 . 20 * 307 * 4 4 . 21 4 . 21 307 * 2 1 0 8 . 20 4 . 21 307 3 2 2 = + + = ∴ = − − m Q H _b 7 . 32 30 . 0 * 85 25 85 25 2 2 = + = + =