MECÁNICA DE FLUIDOS Tema2. Impulsión de fluidos

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  • 2011

    Autores

    I. Martn, R. Salcedo, R. Font.

    MECNICA DE FLUIDOS Tema2. Impulsin de fluidos

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    2

    TEMA 2.IMPULSIN DE FLUIDOS

    ndice TEMA 2.IMPULSIN DE FLUIDOS ............................................................................................... 1

    1. INTRODUCCIN ........................................................................................... 3

    2. IMPULSIN DE LQUIDOS ............................................................................ 4

    2.1 Cargas en el sistema .................................................................................... 4

    2.2 Punto de colocacin de una bomba ............................................................. 7

    2.3 Potencia de la bomba. Rendimiento ............................................................ 8

    2.4 Aparatos para la impulsin de lquidos ........................................................ 9

    2.5 Criterios de seleccin del tipo de bomba ................................................... 31

    2.6 Flujo transitorio: Golpe de ariete ............................................................... 32

    3. IMPULSION DE GASES ................................................................................ 38

    3.1 Compresin de gases: potencia y rendimiento de los compresores............ 39

    3.2 Equipos para la impulsin de gases: ventiladores, soplantes y compresores.

    54

    3.3 Criterios de seleccin de ventiladores, soplantes y compresores ............... 63

    4. BIBLIOGRAFA ............................................................................................ 64

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    1. INTRODUCCIN

    El desplazamiento de fluidos, lquidos o gases (en ocasiones incluso con slidos en suspensin)

    se desarrolla normalmente en sistemas de flujo, ms o menos largos y complejos que implican

    conducciones rectas, generalmente cilndricas de dimetros variados, enlazadas por uniones

    convenientes, curvaturas, codos, vlvulas, etc. A travs de estos sistemas el fluido slo fluye

    espontneamente si su energa total disminuye en la direccin del flujo. De no ser as, habr

    que comunicarle energa desde el exterior mediante dispositivos tales como bombas, en el

    caso de lquidos, o compresores, soplantes o ventiladores, en el caso de gases. Tal aporte de

    energa puede invertirse en aumentar la velocidad, la altura o la presin del fluido.

    La cuanta de la energa que deber suministrarse a un fluido para conseguir su

    desplazamiento por un sistema determinado depender de su caudal, de la altura a que deba

    elevarse, de la presin con que se requiera al final de su recorrido, de las longitudes y

    dimetros de los tramos rectos de conduccin, de los accidentes (ensanchamientos,

    estrechamientos, curvaturas vlvulas, codos, etc.) intercalados entre ellos y de sus

    propiedades fsicas, fundamentalmente su viscosidad y su densidad.

    La ecuacin de Bernoulli:

    ^p

    p

    12

    2

    1

    2

    2 WFdp)zz(g2

    v

    2

    v 2

    1

    (J/kg) (1.1)

    aplicada a los extremos del sistema de que se trate permitir el clculo de la energa (W) que

    debe comunicarse a la unidad de masa del fluido circulante. Con ella y el caudal msico de flujo

    que se desee (m) se obtiene la potencia terica necesaria para el flujo deseado:

    P = mW (W) (1.2)

    Son muy variados los tipos de flujos y fluidos que pueden presentarse, aunque

    fundamentalmente puede dividirse en flujo de lquidos (incompresibles) y flujo de gases

    (compresibles, aunque si la variacin de presin es baja pueden considerarse incompresibles).

    A modo de ejemplo se citar entre los primeros: bombeo de productos petrolferos como

    crudos, gasolinas, naftas, gasleos, etc. servicios de agua para calefaccin o enfriamiento en

    cambiadores de calor, servicios agua potable y alcantarillado en las grandes ciudades; bombeo

    de cidos, lcalis y toda clase de productos qumicos desde sus depsitos almacn hasta las

    unidades en que se requieran, etc. En cuando a los gases, podemos citar el flujo de gas natural

    a grandes distancias; servicios de gas propano, de aire comprimido, etc. A su vez, los fluidos

    pueden ser gases o lquidos poco viscosos, lquidos de elevada viscosidad, newtonianos o no,

    con o sin slidos en suspensin, corrosivos o inertes, etc.

    En el presente tema, se abordar la descripcin y funcionamiento de los distintos equipos

    utilizados para la impulsin de lquidos y gases de forma separada, no slo por su distinto

    comportamiento de compresibilidad, sino porque sus grandes diferencias de densidad y

    viscosidad requieren que las respectivas mquinas impulsoras tengan caractersticas distintas.

    A modo de ejemplo, baste decir que los equipos para gases debern tener mayor precisin en

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    el diseo para evitar fugas, que se producen con mucha mayor facilidad que en el caso de los

    lquidos. Tambin podra decirse que en el caso de los lquidos hay que tener presente en qu

    lugar se coloca la bomba para evitar problemas de cavitacin, circunstancia que no se produce

    en los gases.

    2. IMPULSIN DE LQUIDOS

    Como se vio en el Tema 1, en Ingeniera Qumica normalmente el balance de energa mecnica

    entre dos puntos se expresa mediante la ecuacin de Bernoulli en unidades de energa por

    unidad de masa (J/kg). Sin embargo, en Ingeniera Civil la ecuacin de Bernoulli suele

    expresarse en unidades de energa por unidad de peso, teniendo el mismo significado fsico.

    De esta forma la ecuacin de Bernoulli se obtiene dividiendo ambos trminos por la

    aceleracin de la gravedad g, teniendo unidades de J/N, que dimensionalmente es equivalente

    a longitud (m). De esta forma, los distintos sumandos de la ecuacin de Bernoulli se les

    denominan cargas o alturas. Considerando que los lquidos son incompresibles, la ecuacin

    resultante queda de la forma:

    Hg

    F

    g

    )PP()zz(

    g2

    v

    g2

    v 1212

    1

    2

    1

    2

    2

    2

    (2.1)

    donde H = W/g y se le denomina altura proporcionada por la bomba, mientras que el trmino

    F/g se le suele denominar prdida de carga. Dado que la circulacin de lquidos es mucho

    ms importante en reas de Ingeniera Civil (por ejemplo, redes distribucin de aguas potables,

    riego y residuales), la bibliografa y los fabricantes de bombas utilizan exclusivamente la

    ecuacin de Bernoulli expresada en m (ec. 2.1), por lo que en este tema los balances de

    energa mecnica se abordarn generalmente de esta forma. Previamente a la descripcin de

    los distintos equipos impulsores de lquidos, se vern algunas consideraciones.

    2.1 Cargas en el sistema

    Un sistema tpico en el que se bombea un lquido es el indicado en la Figura 2.1:

    1

    2

    3 4

    B o m b a

    l a d o d e i m p u ls i nla d o d e a s p i ra c i n

    1z2

    z

    Figura 2.1. Cargas en el sistema

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    donde z3 = z4, que al poder tomarse como origen de alturas, es igual a cero. A partir de este

    esquema se definen los siguientes conceptos.

    Carga de aspiracin o succin: Es el valor de la energa que posee el fluido al

    llegar a la boca de succin de la bomba hidrulica, expresada en metros de lquido. Se define

    como la suma de la carga de presin, la carga cintica y la altura geogrfica o cota en la boca

    de succin de la bomba, de acuerdo con la figura anterior:

    3

    3

    2

    33

    a zg2

    V

    g

    Ph

    (2.2)

    Si se plantea el balance de energa mecnica entre los puntos 1 y 3:

    g

    F

    g

    Pz

    g2

    v

    g

    Pz

    g2

    v a33

    3

    2

    311

    1

    2

    1

    (2.3)

    de donde:

    g

    Fz

    g2

    V

    g

    Pz

    g2

    V

    g

    Ph a1

    1

    2

    113

    3

    2

    33

    a

    (2.4)

    Carga de impulsin: Es el valor de la energa que posee el fluido justo en el

    punto de salida de la bomba hidrulica, expresada en metros de lquido. Se define como la

    suma de la carga de presin, la carga cintica y la altura geomtrica en la boca de impulsin de

    la bomba. En nuestro esquema,

    44

    2

    44i z

    g2

    V

    g

    Ph

    (2.5)

    Si, como antes, se plantea un balance de energa mecnica entre 4 y 2, se obtiene que,

    g

    F

    g2

    V

    g

    Pzh i

    2

    2

    222i

    (2.6)

    En (2.4) Fa/g = prdida de carga por friccin en la zona de aspiracin y en (2.6) Fi/g= prdida

    de carga por friccin en la zona de impulsin.

    Carga total: Es la diferencia algebraica entre la carga de impulsin y la de

    aspiracin, y t