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Autor: Moisés Zamora González Profesor: Antonio Manuel González Marrero Asignatura: Sistemas Auxiliares del Buque En Santa Cruz de Tenerife a 21 de Abril del 2014

Bombas Dinamicas Centrífugas

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Bombas Dinámicas Centrífugas

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  • Autor: Moiss Zamora Gonzlez

    Profesor: Antonio Manuel

    Gonzlez Marrero

    Asignatura: Sistemas Auxiliares

    del Buque

    En Santa Cruz de Tenerife a 21 de

    Abril del 2014

  • ndice:

    -Introduccin.

    -Tipos, caractersticas tcnicas.

    -Funcionamiento.

    -Caractersticas.

    -Arranque de una Bomba.

    -Clculo del Punto de Funcionamiento.

    -Curvas Caractersticas.

  • 1

    Introduccin:

    Para el transporte de lquidos desde un recipiente a otro a travs de una red de

    tuberas se utiliza generalmente algn tipo de bomba mecnica. La energa

    consumida por una bomba es una funcin; de la altura a travs de la cual se eleva el

    fluido, de la presin que se requiere en la descarga del fluido, de las caractersticas de

    la tubera (longitud, dimetro y rugosidad relativa), de la velocidad del flujo, as

    como de las propiedades fsicas del fluido, como son la densidad y la viscosidad.

    Entre las aplicaciones de bombeo de lquidos en la industria de la ingeniera

    qumica, se pueden mencionar, el transporte de diferentes lquidos como por

    ejemplo: agua, cidos o productos derivados del petrleo, como benceno o nafta,

    desde los tanques de almacenamiento hasta las unidades procesos. El fluido a

    transportar puede ser un lquido de baja viscosidad o muy viscoso. Puede ser un

    lquido limpio o contener partculas en suspensin o ser muy corrosivo. Todos estos

    factores influyen en la eleccin de una bomba. Debido a la amplia variedad de

    necesidades, se encuentran en la actualidad diferentes tipos de bombas entre las

    cuales se distinguen:

  • 2

    En este documento estudiaremos las

    Bombas Dinmicas Centrfugas.

    Las bombas cinticas, como las

    centrifugas, son aquellas en que se

    aplica energa al fluido que se bombea

    con un impulsor que gira en un eje. La

    energa cintica aplicada al fluido por el impulsor se convierte en energa de presin

    cuando el lquido sale del impulsor y avanza a lo largo de la voluta o carcaza.

    El elemento rotativo de una bomba centrifuga se denomina rodete o impulsor. La

    forma del impulsor puede forzar al fluido a salir en un plano perpendicular a su eje y

    recibe el nombre de bomba centrifuga de flujo radial, puede dar al fluido una

    velocidad con componentes tanto axial como radial y se conoce como de flujo mixto

    o puede inducir al flujo en espiral segn la direccin del eje, bomba centrifuga de

    flujo axial. Existen bombas centrifugas de una y varias etapas. En las bombas de una

    etapa se pueden alcanzar presiones de hasta 5 atm, en las de varias etapas se pueden

    alcanzar hasta 25 atm de presin, dependiendo del nmero de etapas

    Tipos:

  • 3

    Las bombas centrifugas sirven para el transporte de lquidos que contengan slidos

    en suspensin, pero poco viscosos. Su caudal es constante y elevado, tienen bajo

    mantenimiento. Este tipo de bombas presentan un rendimiento elevado para un

    intervalo pequeo de caudal pero su rendimiento es bajo cuando transportan lquidos

    viscosos. Este tipo de bombas son las usadas en la industria qumica, siempre que no

    se manejen fluidos muy viscosos. Dependiendo del tipo de impulsor, las bombas

    centrifugas se clasifican en: Bomba Centrfuga de Flujo Radial, Axial y Mixto.

    Bombas Centrfugas de Flujo Radial:

    Las bombas centrifugas de flujo radial se utilizan para cargas altas y caudales

    pequeos, sus impulsores son por lo general angostos. El flujo es radial y la presin

    desarrollada es debida principalmente a la

    fuerza centrfuga. Este rodete enva por una

    fuerza centrfuga, el flujo del fluido en

    direccin radial hacia la periferia de aquel. La

    carga de velocidad es convertida a carga de

    presin en la descarga de la bomba. Por lo

    general, los alabes (aletas) de estos rodetes estn curvados hacia atrs. El rodete

    radial ha sido el tipo ms comnmente usado.

    En la figura se muestran los 3 tipos de impulsores que se presentan en una bomba

    centrifuga radial. Estos impulsores son de baja velocidad especfica, concepto que se

    desarrollar ms adelante, y manejan lquidos limpios, sin slidos en suspensin.

  • 4

    Bomba Centrfuga de Flujo Axial:

    Estas bombas se utilizan para cargas pequeas y

    grandes caudales, tienen impulsores tipo

    propela, de flujo completamente axial. Estos

    impulsores son los de mayor velocidad

    especfica y este tipo de bombas es

    especialmente adecuado para drenaje en ciudades. Casi toda la carga producida por

    este rodete es debida a la accin de empuje

    de las aletas. El fluido entra y sale del rodete

    en direccin axial o casi axial.

    Bomba Centrfuga de Flujo Mixto:

    Estas bombas se utilizan para cargas y caudales

    intermedios. El impulsor es ms ancho que los de

    flujo radial y los alabes adquieren una doble

    curvatura, torcindose en el extremo de la succin.

    La velocidad especfica en este tipo de impulsores va aumentando y manejan

    lquidos con slidos en suspensin. La carga se desarrolla con un rodete delgado, en

    parte por fuerza centrfuga y en parte por el empuje de las aletas. Esto se consigue

    construyendo aletas de curva doble o en forma de

    hlice, de tal forma que la descarga es una

    combinacin de flujo axial y radial. Los cambios

    de las caractersticas de los rodetes tipo radial con

    respecto a los de tipo axial son, respectivamente,

    de carga grande y flujo moderado a flujo

    extremadamente grande y carga baja.

  • 5

    Funcionamiento:

    Las bombas centrfugas convencionales no son capaces de iniciar la operacin si no

    estn llenas de lquido y en su lugar hay aire dentro de la carcasa, siendo necesario

    ?cebarlas? o llenarlas de lquido antes de ponerlas a funcionar. El cebado se puede

    realizar permitiendo el paso de lquido desde un tanque auxiliar de cebado o

    empleando una bomba manual conectada a la tubera de succin. Las bombas

    autocebantes presentan una modificacin en el diseo de la voluta que les permite

    mantener una cantidad de lquido dentro de la carcasa cuando se encuentran

    apagadas y eliminar el aire presente en la carcasa cuando se inicia su operacin

    El movimiento rotatorio del impulsor empuja el lquido en forma radial hacia la

    voluta, reduciendo la presin en el ojo, generando la fuerza impulsora que empuja al

    fluido desde el tubo de succin hacia la bomba. El lquido ingresa a travs de la

    succin directamente al ojo del impulsor donde recibe la fuerza centrfuga generada

    por la rotacin del mismo y la energa cintica que le imprimen las aspas. El lquido

    se dirige hacia la periferia del impulsor con una velocidad tangencial ascendente y

    una elevada energa cintica. En la voluta, el fluido sufre una reduccin gradual de su

    velocidad en la medida que aumenta el rea de flujo, transformndose la energa

    cintica en energa o cabeza de presin. Finalmente, el lquido es expulsado por la

    descarga a una mayor presin que en la succin.

    Una bomba centrfuga se debe seleccionar buscando que el punto normal de

    operacin est cerca del mximo de la curva de eficiencia, que debe estar en un

    intervalo del 60% al 80%. El cambio del punto de operacin implicar igualmente un

    cambio en la cabeza desarrollada y una reduccin de la eficiencia.

  • 6

    Las bombas centrfugas funcionan estrictamente dentro de los puntos sealados por

    la curva caracterstica de carga vs. capacidad, por lo tanto si se quiere trabajar en

    unas condiciones especficas se debe tener en cuenta que el sistema de bombeo slo

    se podr operar en las condiciones o puntos ubicados bajo dicha curva, siendo

    necesario controlar la descarga a travs de una vlvula ubicada en la tubera de

    salida. El uso de una vlvula de control en la descarga de la bomba implica prdidas

    energticas ya que en este punto se estar disipando la energa en exceso entregada

    por la bomba; por ello cuando se opera con capacidades variables se opta por el uso

    de alimentadores de velocidad variable que ajustan la frecuencia de la alimentacin

    elctrica del motor corriente alterna, disminuyendo as su velocidad.

    Caractersticas

    Las bombas centrfugas se suelen definir por las cuatro caractersticas siguientes:

    - Capacidad o cantidad de fluido descargado en la unidad de tiempo.

    - Aumento de presin designado comnmente con el trmino de carga (que es la

    energa proporcionada al fluido por unidad de masa, y se obtiene dividiendo el

    aumento de presin por el peso especfico del fluido).

    - Potencia que es la energa consumida por la mquina en la unidad de tiempo.

    - El rendimiento es energa cedida al fluido, dividida por la energa total absorbida

    por la mquina.

    El efecto conseguido por la mayora de los dispositivos de bombeo es el de aumentar

    la presin del fluido

    Arranque de una Bomba:

    Para poner en marcha una bomba centrfuga hay que tener presente las siguientes

    consideraciones:

    a) Comprobar todos los purgadores, bridas, lneas, etc., asegurndose de que no se ha

    olvidado ninguna junta ciega.

  • 7

    b) Si la bomba est recin instalada, comprobar que puede girar sin dificultad

    rodndola a mano. Comprobar que el sentido de rotacin del motor es el correcto.

    c) Comprobar la lubricacin de los cojinetes y dems partes mviles.

    d) Comprobar los cierres lquidos.

    e) Cerrar la vlvula de impulsin, abrir la de aspiracin plenamente y llenar de

    lquido la carcasa. Prguese el aire o vapor por el purgador situado en la parte ms

    alta de la carcasa. Si el lquido que vamos a bombear es caliente djesele fluir hasta

    que caliente la carcasa.

    f) Si la bomba est accionada por una turbina, hay que purgar la lnea de vapor a

    travs de la misma con el fin de calentarla y eliminar condensados. Asegurarse que la

    vlvula de vapor de escape est abierta. Comprobar asimismo la lubricacin.

    g) Poner en marcha la bomba hasta alcanzar la presin normal y abrir entonces la

    vlvula de impulsin lentamente y asegurarse que la presin se mantiene en su valor.

    Hay que tener en cuenta que si se abre demasiado rpidamente la vlvula de

    impulsin, se puede originar una pulsacin repentina con la prdida de la succin.

    Clculo del Punto de Funcionamiento:

    El rgimen de trabajo de una bomba centrfuga se determina, siempre, por el punto

    de interseccin de las caractersticas de la bomba y de la tubera, y por eso, al ser la

    caracterstica de la conduccin (tubera) invariable, salvo que se acte sobre la

    vlvula de impulsin, el cambio del nmero de revoluciones de la bomba provocar

    el desplazamiento del punto de trabajo a lo largo de la caracterstica de la tubera. Si

    sta corta a una parbola de regmenes semejantes, al cambiar el nmero de

    revoluciones y pasar a otra curva caracterstica,

    la semejanza se conservar, pudindose

    considerar en este caso que el cambio del

    nmero de revoluciones de la bomba no

    alterar la semejanza de los regmenes de

    trabajo.

  • 8

    Pero si por la tubera se trasiega el lquido de un nivel inferior a otro superior, la

    caracterstica de la tubera tendr la forma indicada en la figura 7.17, y el cambio de

    revoluciones de la bomba, de n1 a n2, provocar el desplazamiento del punto de

    trabajo de A a B, que pertenecen a distintas parbolas de regmenes semejantes,

    alterndose as la semejanza de los regmenes.

    Como parece natural, las bombas centrfugas se construyen para que funcionen en

    condiciones de rendimiento mximo y, por lo tanto, en su eleccin parece lgico

    pensar que para una tubera de impulsin determinada, no sirva cualquier bomba,

    sino aquella que cumpla precisamente con la premisa de que su zona de mximo

    rendimiento, coincida con la inmediata al punto de funcionamiento.

    Curvas Caractersticas:

    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.

    Estas curvas, obtenidas experimentalmente en un banco de pruebas, son

    proporcionados por los fabricantes a una velocidad de rotacin determinada (N).

    Se representan grficamente, colocando en el eje de abcisas los caudales y en el eje

    de ordenadas las alturas, rendimientos, potencias y alturas de aspiracin.

    Curva altura manomtrica-caudal. Curva H-Q.

    Para determinar experimentalmente la relacin H(Q) correspondiente a unas

    revoluciones (N) dadas, se ha de colocar un vacumetro en la aspiracin y un

    manmetro en la impulsin, o bien un manmetro diferencial acoplado a dichos

    puntos. En la tubera de impulsin, aguas abajo del manmetro, se instala una llave

    de paso que regula el caudal, que ha de ser aforado. La velocidad de rotacin se

    puede medir con un tacmetro o con un estroboscopio. Con un accionamiento por

    motor de corriente alterna, dicha velocidad vara muy poco con la carga.

    La relacin H(Q) tiene forma polinmica con las siguientes formas:

    H = a + bQ + cQ2

    H = a + c Q2

  • 9

    Las curvas caractersticas H-Q, tpicas de los 3 grupos de bombas vienen indicadas

    en las siguientes figuras 7.13.

    La curva que se obtiene corta el eje (Q = 0) en un punto en el que la bomba funciona

    como agitador, elevando un caudal nulo. Esta situacin se consigue cerrando

    totalmente la llave de paso en el origen de la tubera de impulsin. El llamado caudal

    a boca llena es el que corresponde a H=0, dando un caudal mximo.

    a) b)

    c)

    Figura 7.13. Curvas caractersticas de tres tipos de bombas hidrulicas. a) Bomba

    radial centrfuga; b) Bomba helicocentrfuga; c) Bomba de hlice

    Curva rendimiento-caudal.

    El rendimiento de la bomba o rendimiento global es la relacin entre la potencia til

    o hidrulico y la potencia al freno. Este es, en general, suministrado por los

    constructores de la bomba, y considera las prdidas por fugas (rendimiento

    volumtrico) y por rozamientos en ejes y caras del impulsor (rendimiento mecnico).

  • 10

    La curva caracterstica rendimiento-caudal para tres tipos de bombas distintas la

    podemos ver en la figura 7.13.

    En general la curva del rendimiento podr ajustarse a una expresin del

    tipo:

    El rendimiento es nulo para un caudal nulo y para un caudal mximo. Entre ambos el

    rendimiento vara, alcanzando el mximo en un punto correspondiente a un cierto

    caudal, llamado caudal nominal de la bomba, que es aquel para el cual ha sido

    diseada la bomba.

    Curva potencia-caudal.

    En la teora, la potencia suministrada por el eje del impulsor es:

    Ph = potencia hidrulica

    En la prctica, las prdidas por rozamiento hidrulico, mecnico y las posibles fugas

    dan lugar a que la potencia al freno P absorbida al motor por el eje de la bomba

    difiere de Ph. Su valor se obtiene en laboratorio mediante un dinammetro o freno,

    aplicando la relacin:

    P = T N

    Siendo T el par resistente de la bomba, el cual es el producto de [F x r] donde r es el

    brazo donde se aplica la fuerza tangencial F. N es el nmero de revoluciones o

    vueltas en la unidad de tiempo, o velocidad angular. La relacin entre la potencia

    hidrulica (P salida) y la potencia al freno (P entrada) mide el rendimiento global. Se

    determina a partir de la ecuacin:

    La potencia absorbida por el eje de la bomba o potencia al freno es la potencia que

    necesita la bomba para realizar una determinada cantidad de trabajo. Es igual a la

    potencia hidrulica o potencia que necesita la bomba para elevar el agua, ms la

    potencia consumida en rozamientos, y viene determinada por la frmula:

  • 11

    Donde:

    P = potencia bomba (w)

    = peso especfico (N/m3)

    Q = caudal (m3/s)

    H = altura manomtrica total (m)

    = rendimiento de la bomba (/1).

    Tambin se puede utilizar la siguiente expresin para Potencias expresadas en C.V.

    Donde:

    P = potencia bomba (C.V.)

    Q = caudal (l/s)

    H = altura manomtrica total (m)

    = rendimiento de la bomba (/1).

    Para cada posicin de la llave de regulacin del caudal, se determinar la potencia P,

    con lo que la curva caracterstica P (Q) queda determinada con la figura 7.13.

    La potencia absorbida por la bomba es la que tiene que suministrar el motor

    (elctrico o combustin o hidrulico) por el rendimiento de dicho motor (m).

    Curvas carga neta positiva de aspiracin requerida (NPSHr)-Caudal.

  • 12

    Figura 7.14. Curvas NPSHr - Q, de 4 bombas iguales pero con distinto dimetro de

    rodete

    La NPSHr en una bomba a velocidad constante aumenta con el caudal como se

    muestra en la figura 7.14. Este tipo de curva se estudiar detalladamente en el punto

    9 de este tema.

    En la figura 7.15 se representa las curvas de igual rendimiento en el diagrama Altura-

    Caudal para distintas velocidades de giro del rotor. Este grfico, por tanto, nos

    suministrar informacin de velocidad rotacin, caudal, altura y rendimiento. Por

    ejemplo, para obtener un caudal de 100 l/s a una altura manomtrica de 30 m se

    requiere una velocidad de 850 r.p.m. y se obtiene un rendimiento del 70 %, figura

    7.15 D).