Bombas centrífugas

Química. Mecánica. Máquinas. Bombas en serie y en paralelo. Potencia. Succión. Cavitación. Cebado. Circuito. Seguridad

  • Enviado por: Alfredo Rahn
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 15 páginas
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REVISIÓN BIBLIOGRAFICA

A continuación se presentan una serie de definiciones que son base para la comprensión y desarrollo de la práctica de Bombas Centrífugas con arreglos en serie y en paralelo.

Las máquinas que realizan trabajo para mantener un fluido en movimiento se llaman bombas, soplantes, compresores, etc. La cantidad de trabajo suele representarse en las ecuaciones de flujo por el símbolo ¨W¨.

Aquellas máquinas que absorben trabajo, W de un fluido en circulación, se denominan motores, turbinas, ruedas hidráulicas, molinos de viento, etc.

Las bombas, las soplantes y los compresores se suelen definir o evaluar por las cuatro características siguientes:

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

2. Aumento de Presión, designado comúnmente con el término de carga (que es la energía proporcionada al fluido por unidad de masa, y se obtiene dividiendo el aumento de presión por el peso específico del fluido).

3. Potencia, que es la energía consumida por la máquina en la unidad de tiempo.

4. Rendimiento, es energía cedida al fluido, dividida por la energía total absorbida por la máquina. (1)

El efecto conseguido por la mayoría de los dispositivos de bombeo es el de aumentar la presión del fluido. La mayoría de las bombas soplantes y compresores pueden clasificarse en máquinas alternativas, rotatorias o centrífugas. (1)

BOMBAS CENTRÍFUGAS:

Una bomba centrífuga consiste en un rodete o impulsor que gira dentro de una envoltura o carcasa. El rodete consiste en un cierto número de álabes o paletas, abiertos o encerrados en una corona, montados sobre un eje que sobresale de la carcasa. El eje de rotación de los rodetes se coloca horizontal o vertical, según el trabajo que haya de realizar. Los rodetes pueden de ser de simple aspiración o de doble aspiración, esto es, que el líquido entra por un costado solamente o por los dos costados. (4)

Las bombas centrífugas constituyen no menos del 80% de la producción mundial de bombas, porque es la más adecuada para manejar más cantidad de líquido que la bomba de desplazamiento positivo. (3)

FUNCIONAMIENTO DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA:

Se aplica energía procedente de una fuente exterior al eje A que hace girar el rodete, B, dentro de la envoltura fija, C. Los álabes o paletas del rodete, al girar, producen un vacío parcial en la entrada o boca del rodete. Esto hace que el líquido entre en el rodete desde la tubería de aspiración, D. Este líquido es impulsado hacia afuera, a lo largo de las paletas, con una velocidad creciente. La carga de velocidad que ha adquirido cuando abandona los extremos de las aletas se transforma en carga de presión cuando el líquido pasa dentro de la cámara en voluta y sale de ésta por la descarga, E. (4)

Las principales ventajas de la bomba centrífuga son su sencillez, su bajo costo inicial, su gasto uniforme (sin pulsaciones), el pequeño espacio que ocupa, su gasto de conservación bajo, su funcionamiento silencioso y la adaptabilidad para su acoplamiento a un motor eléctrico o una turbina. (4)

TIPOS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS:

Bombas Centrífugas de un Solo Salto o Etapa: El término bombas para compuestos químicos se suele aplicar a las de un salto y de diseño simple. Estas bombas se construyen de modo que resulte fácil desmontarlas, que sean accesibles y con presaestopas especiales para manejar líquidos corrosivos.

Se emplean para servicios generales de abastecimiento y circulación de agua y para manipular compuestos químicos que no corroan el hierro ni el bronce. (4)

Bombas Acopladas directamente: Estas unidades, en las que el motor eléctrico, o a veces una turbina de vapor, está montado directamente sobre el mismo eje que el rodete, son sumamente compactas y apropiadas para una gran variedad de servicios cuando es posible emplear en su construcción hierro y bronce. (4)

Bombas de múltiples saltos o etapas: Estas bombas se usan en general para los servicios que exigen cargas (presiones) mayores que las que se consiguen con las bombas de un solo salto. Estos servicios incluyen las bombas de alta presión para abastecimientos de agua, las bombas para combatir los incendios, las de alimentación de calderas y las de carga para las refinerías. Las bombas de múltiples saltos, o varios rodetes, pueden ser de voluta o de difusor. (4)

BOMBAS ROTATORIAS:

Las Bombas Rotatorias se diferencian de las centrífugas y las de émbolo porque rinden una cantidad positiva de líquido con condiciones variables de la carga o presión, Cuando se construyen con materiales apropiados, pueden manipular cualquier líquido que no contenga arena ni material abrasivo.

Este tipo de bomba consiste en una envoltura fija en la que están situados uno o varios miembros rotativos. Cuando sólo tiene un miembro rotativo, o impulsor, se monta excéntricamente en el eje. El impulsor de este tipo de bomba suele ser de sección circular y lleva una o varias aletas de movimiento alternativo o un resalto horizontal. (4)

RENDIMIENTO DE UNA BOMBA:

El rendimiento de una máquina centrífuga es la relación entre la potencia absorbida por el fluido y la potencia al freno (suministrada al eje de la bomba). (1)

El rendimiento se expresa como una relación adimensional, varía con la velocidad y el caudal.

Rendimiento e=(2)

Potencia (al freno) consumida por las bombas: La potencia necesaria para el movimiento de una bomba es la requerida para vencer todas las pérdidas y proporcionar al fluido la energía deseada.

Potencia Absorbida: Por el fluido vendrá determinada por la energía del fluido al abandonar la bomba. La potencia al freno, en el eje de la bomba es la energía requerida por el aparato en la unidad de tiempo. (1)

El rendimiento de una bomba centrífuga generalmente se describe como resultado de sus características:

  • Régimen de flujo o capacidad “Q” (unidades de volumen / unidad de tiempo, L3/T).

  • Incremento de energía contenida en el fluido bombeado, carga o cabezal “H” (unidad de energía / unidad de masa o unidad de longitud L).

  • Potencia de entrada o consumo “P” (unidad de trabajo / unidad de tiempo ML/T).

  • Eficiencia “” o razón entre el trabajo útil desarrollado y la potencia de energía.

  • Velocidad de rotación “V” (r.p.m.). (5)

El rendimiento hidráulico de una bomba puede tener grandes variaciones con relación a las especificaciones publicadas. Cuando ocurre, hay que poder encontrar la causa de la discrepancia. Casi siempre se trata de aspectos externos de la bomba, que saltarán a la vista. Quizá no haya suficiente NPSH, puede haber vapores atrapados en los tubos de succión porque un punto alto no tiene respiración hacia el espacio de vapores en el recipiente de suministro; el motor puede estar conectado para rotación inversa, los tubos de descarga o succión pueden estar obstruidos, la bomba puede no estar bien cebada, etc. (3)

Carga, Cabezal o Incremento de Energía de una Bomba Centrífuga: Es la presión ejercida por una Columna de líquido en un tubo vertical, sobre la superficie horizontal en el fondo del mismo. (5)

Cabezal o Carga Estática de una Bomba: Es la distancia vertical en unidades de longitud, desde el nivel de suministro del fluido, hasta el eje central de la bomba. Cuando la bomba se encuentra arriba del nivel de suministro, se llama Cabezal Estático de Elevación, y cuando la bomba está por debajo de dicho nivel, se habla de Cabezal Estático de Succión.

Cabezal Estático de Descarga: Es la distancia vertical, en unidades de longitud, desde el eje central de la bomba, hasta el punto libre de entrega del fluido. (5)

Cabezal Estático Total: Es la suma de los Cabezales anteriores. Para definir el Cabezal o Carga Total de una Bomba, se hace uso de la ecuación de balance de energía mecánico o ecuación de Bernoulli entre el punto “1” o succión y el punto “2” o descarga:

Donde:

V1,V2 = Velocidad o energía cinética del fluido (L/T).

Z1,Z2 = Altura de los puntos con respecto al eje central de la bomba (L).

P1,P2 = Presión en los puntos (F/L2).

wp = Potencia suministrada al fluido (FL/M).

hf = Pérdidas por fricción (FL/M).

g = Aceleración de gravedad (L/T2).

gc = Factor de conversión (ML/FT2).

@ = Densidad del fluido (M/L3). (5)

Cabezal Neto Positivo de Succión (NSPH): Es la presión absoluta a la entrada de la bomba, en unidades de longitud, mas la energía cinética o carga de velocidad, menos la presión de vapor del fluido a la temperatura de bombeo; representa la elevación máxima de succión permisible desde el tanque a condiciones atmosféricas. (5)

NSPH = (V12)/2g+[(P1-Pv)/@](gc/g)

Donde:

NSPH = Cabezal o Carga Neta de Succión Positivo (L).

V1 = Velocidad Media en la Succión (L/T).

P1 = Presión absoluta en la succión (F/L2).

Pv = Presión de vapor del fluido (F/L2).

Cabezal Neto Positivo de Succión Disponible (NSPHD): Representa el nivel de energía del fluido sobre la presión de vapor a la entrada de la bomba, es una función del sistema, es decir, que depende de:

  • La carga estática de succión o elevación.

  • Las pérdidas por fricción y

  • La presión de vapor del fluido.

Para expresar el NSPHD se realiza un balance de energía entre el nivel de líquido en el suministro de alimentación (1') y el punto de succión de la bomba (1):

(V12)/2g+Z1'+(P1'/@)(gc/g)-(V12)/2g+Z1+(P1/@)(gc/g)+hf

Tomando el punto (1) como nivel de referencia, sabiendo que V1'=0 y basándose en la ecuación de NSPH se tiene:

NSPHD = [(P1'-Pv)/@](gc/g)-hf+Z1'

Donde:

NSHPD = Cabezal Neto de Succión Positivo disponible (L)

P1' = Presión absoluta en el nivel de suministro (F/L2)

hf = Pérdidas por fricción entre el tramo 1'-1 (L)

Z' = Altura del nivel de succión (L)

CONDICIONES DE SUCCION:

Cuando se bombean líquidos, nunca se debe permitir que la presión en cualquier punto dentro de la bomba caiga a menos de la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo. Siempre se debe tener suficiente energía disponible en la succión de la bomba para hacer que el líquido llegue al impulsor y contrarreste las pérdidas entre la boquilla de succión y la entrada al impulsor de la bomba. En este lugar, los álabes del impulsor aplican mas energía al líquido.

Una característica adicional de la bomba es la (NPSH)R. Es la energía, en ft, de carga de líquido que se necesita en la succión de la bomba por arriba de la presión de vapor del líquido a fin de que la bomba entregue una capacidad dada a una velocidad dada.

Los cambios en la (NPSH)A no alteran el rendimiento de la bomba siempre y cuando la (NPSH) A sea mayor que la (NPSH)B. (3)

CAVITACION:

La cavitación causa la destrucción rápida del metal constituyente de los rodetes de las bombas y turbinas, de los álabes, de los venturímetros y en ocasiones de las tuberías. Esto sucede cuando la presión del líquido se hace menor que su tensión de vapor. (2)

BOMBAS EN SERIE Y BOMBAS EN PARALELO:

Una o más bombas en serie se pueden dañar por la pérdida de NPSH debida a la falla de una bomba de corriente arriba.

En las bombas en serie puede seguir un flujo reducido aunque una de ellas no funcione. Este flujo por la bomba ociosa hará que el impulsor gire en sentido opuesto y que se aflojen las tuercas que sujetan el impulsor y las camisas en el eje. Cuando se vuelve a poner en marcha la bomba ociosa, las piezas flojas la dañarán en un corto tiempo.

El múltiple de succión para varias bombas debe recibir especial atención para su diseño y tamaño, porque la cavitación producida en la entrada a un tubo de succión se puede propagar a lo largo del múltiple hasta otros tubos de succión o bien, una bomba, puede privar a todas las otras de su presión de succión, lo cual reduce su (NPSH). (3)

CEBADO DE UNA BOMBA:

Cuando se pone por primera vez en servicio una bomba, las vías de agua están llenas de aire. Si el abastecimiento de succión está arriba de la presión atmosférica, el cebado se efectúa eliminando de la bomba el contenido de aire atrapado por medio de una válvula provista para este propósito.

Si la bomba efectúa la succión de un suministro localizado debajo de ella, se debe evacuar el aire en la bomba con algún dispositivo productor de vacío, colocando en tal forma una válvula de pie en la línea de succión, que la bomba y la tubería de succión puedan llenarse de líquido o, dotando a la línea de succión de una cámara de cebado. (5)

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL:

Relacionarse con el principio de funcionamiento de las conexiones de bombas centrífugas y conexiones de bombas centrífugas en las cuales se le aplica un arreglo en serie o en paralelo.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

  • Determinar el punto de operación del arreglo específico (serie o paralelo).

  • Analizar las condiciones de succión y descarga, cabezales estáticos de succión y descarga.

  • Analizar el comportamiento en función del arreglo (serie o paralelo) y construir las curvas características, una vez conocido el principio de funcionamiento y las características de la bomba centrífuga.

  • METODO OPERATORIO

    Para esta práctica que será llevada a cabo en el laboratorio se efectuarán dos métodos por separado:

  • Bombeo en serie.

  • Bombeo en paralelo.

  • CIRCUITO EN SERIE:

  • Asignar responsabilidades a cada integrante del grupo, ubicar a cada integrante en los distintos puntos para la toma de datos.

  • Chequear que el tanque (T1A) esté lleno más 75%; si está por debajo de 75% abrir válvula (Vb0). Asegurar que la válvula (Vc1) esté cerrada.

  • Cerrar las válvulas: Vb1, Vc3, Vc4, V23, Vc15, Vb9, Vb10.

  • Abrir válvulas: Vc1, Vc2, V18”, V25', VG, Vb3, Vb4, Vb7, Vb8.

  • Abrir al 100% válvulas: Vc9, Vc6, Vc11, Vc16, Vc17, Vc18, Vc19.

  • Encender la bomba Nº 1 y abrir gradualmente Vc3 hasta verificar que esta levantando presión (se verifica mediante los manómetros PI3,PI4) se deja la Vc3 abierta completamente.

  • Encender la bomba Nº 2 y abrir gradualmente Vc15 hasta verificar que esta levantando presión (se verifica mediante los manómetros PI9, PI10).

  • Ya conociendo satisfactoriamente el sistema de bombeo de ambas bombas se procederá a tomar datos de acuerdo a lo convenido con la profesora.

  • Se debe chequear que el tanque Nº 1 no quede vacío durante la toma de datos; en caso de que esté quedando vacío abrir 100% Vb9, de lo contrario debe permanecer cerrada.

  • Para todos los ensayos deben permanecer 100% abiertas las válvulas Vb3, Vb9, Vb8 y la de succión.

  • Se debe identificar el grupo de válvulas que van a ser manipuladas: Vc15, Vc9, Vc6, Vc11, Vc16, Vc17, Vc18, Vc19, VG.
    Arreglos para trabajar con las válvulas:

  • Arreglos

    Válvulas

    Compuerta % abierta

    Globo % abierta

    1

    25

    75

    2

    50

    75

    3

    75

    75

    4

    100

    75

  • Conocidos los arreglos y la configuración de las válvulas, se comienza con la primera prueba según el paso #10.

  • Finalizada la prueba abrir válvula V9 mientras se configuran las válvulas para realizar el otro experimento.

  • Repetir los pasos 11 y 12 hasta terminar los cuatro arreglos indicados en el paso Nº 10.

  • Terminados los experimentos apagar la bomba Nº 02 y luego la bomba Nº 01. Cerrar la válvula VcI y abrir la Vb9.

  • Organizar y limpiar el laboratorio.

  • BOMBAS EN PARALELO:

  • Delegar funciones y asignar responsabilidades a cada uno de los integrantes del grupo.

  • Verificar que la válvula Vc1 esté cerrada.

  • Abrir la válvula Vb9 para verificar que no exista agua acumulada arriba. Luego cerrarla.

  • Verificar que el tanque Veras 1 se encuentre con un nivel superior al 75% de su capacidad; de lo contrario abrir la válvula Vb0 (alimentación) hasta alcanzar el nivel deseado, luego cerrarlo.

  • Abrir 100% las válvulas: Vc1, Vc2, Vb1, V6', V23', Vc4, Vc9, Vc6, VG, Vb3, Vc11, Vc16, Vb1, Vc17, Vc18, Vc19, Vb7, Vb8.

  • Cerrar 100% las válvulas: Vc4, Vc3, V23'.

  • Prender la bomba Nº 1; inmediatamente abrir poco a poco la válvula Vc3, después de que ésta haya alcanzado la presión, encender la bomba Nº 2 y abrir poco a poco la válvula Vc15.

  • Ya establecidos ambos sistemas de bombeo, se procede a realizar el by-pass, el cual consiste en:

  • Abrir 100% Vc3

  • Abrir 100% Vc4

  • Cerrar 100% V18

  • Con el sistema trabajando en paralelo, se deben comenzar a realizar los arreglos correspondientes en las válvulas.

  • La experiencia consistirá en 1 muestra en intervalos de 10 seg. cada una por cada tipo de arreglo de las válvulas.
    Válvulas:
    Compuerta: Vc3, Vc4, Vc15, Vc9, Vc6, Vc11, Vc16, Vc17, Vc18, Vc19.
    Globo: VG.

  • Arreglos

    Válvulas

    Compuerta % abierta

    Globo % abierta

    1

    25

    75

    2

    50

    75

    3

    75

    75

    4

    100

    75

  • Comenzar con el primer arreglo abriendo las válvulas de compuerta indicadas en el punto 10 a 100%; tomar la lectura según tabla de datos.

  • Terminada la experiencia, abrir la válvula Vb9, mientras se pasa a realizar el siguiente arreglo.

  • Repetir los pasos 11 y 12 para los arreglos siguientes, tomando en consideración el paso 10.

  • Terminados todos los arreglos proceder a apagar ambas bombas y vaciar el sistema, abriendo la válvula Vb9 y cerrando la válvula Vc1.

  • Organizar, limpiar el laboratorio.

  • DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS

    VÁLVULA DE BOLA:

    Básicamente, son válvulas de macho modificadas, aunque se han utilizado desde hace mucho tiempo, su empleo estaba limitado debido al asentamiento de metal contra metal, son rápidas para operarlas, de mantenimiento fácil y no requieren lubricación. Sus principales elementos estructurales se encuentran el vástago, sello del vástago, manilla, arandela de presión, anillo de compresión, bola, cuerpo, asiento, anillo de asiento de cuerpo.

    VÁLVULA DE COMPUERTA:

    Las válvulas de compuerta superan en números a los otros tipos de válvulas en servicios en donde se requieren circulación interrumpida y poca caída de presión. Las características principales incluyen; cierre completo sin estrangulación, operación poco, frecuento y mínima resistencia a la circulación. Sus principales elementos son: volante, vástagos, bonete, compuerta, asiento y cuerpo.

    VÁLVULA CHECK:

    Las válvulas de retención (check) son integrales y se destinan para impedir la inversión del flujo en una tubería, la presión del fluido circulante abre la válvula; el peso del mecanismo de retención y cualquier inversión en el flujo la cierran. Están compuestas por una tapa, junta de la tapa, pasador de colgador, colgador, tuerca del disco, disco, cuerpo y anillo de asiento del cuerpo.

    MANÓMETROS:

    Son aparatos que permiten medir la presión del liquido o gas, consta principalmente de un tubo, para su conexión a la tubería en la parte en que se requiere medir la presión, y de una placa circular (esfera) con la numeración rotulada en kg./cm².

    BOMBA:

    Dispositivo mecánico que añade energía a un flujo. Está compuesta por un motor eléctrico o algún otro dispositivo principal de potencia hace funcionar un eje de la bomba, lo cual trae como resultado un aumento de la presión del fluido y ésta comienza a fluir. Su capacidad es de 1Hp, 3500 RPM.

    ROTAMETRO:

    Es un tipo común de medidor de área variable. El fluido corre hacia arriba a través de un tubo libre que tiene una ramificación en el interior. Un flotador está suspendido en el fluido que corre en una posición proporcional a la velocidad del flujo. Una velocidad de flujo diferente provoca que el flotador se mueva hacia nueva posición. La posición del flotador se mide en una escala calibrada la cual está graduada en las unidades adecuadas de velocidad de flujo de volumen o velocidad de flujo de peso.

    NORMAS DE SEGURIDAD

    Se deben seguir una serie de normas y requerimientos en las instalaciones del laboratorio que se indican a continuación:

    • Los integrantes de cada grupo deben chequear el estado de los equipos a utilizar.

    • Leer el contenido de la practica antes de comenzar la experiencia.

    • Andar con precaución al caminar por el sistema de tuberías para evitar tropiezos con equipos, tubos, accesorios.

    • Subir las escaleras con cuidado y tener las manos libres sin herramientas.

    • En lo posible evitar de aglomerarse no más de 3 personas en la pasarela.

    • Al terminar la practica se debe dejar todo el material limpio y el laboratorio organizado.

    BIBLIOGRAFÍA

  • BROWN, George. Operaciones Básicas de la Ingeniería Química. Editorial Marín, S.A. Barcelona 1.955. Pags:

  • GILES, Ronald V. “Mecánica de los fluidos e Hidráulica”. Serie de compendios Schaum. Segunda Edición. México 1.969.

  • MCNAUGHTON, Kenneth. “Bombas. Selección, Uso y Mantenimiento”. Editorial Interamericana, México 1.992. Pags: 71,78,79,135,139,

  • PERRY, John H. “Manual del Ingeniero Químico” Tomo II, Editorial Hispano-Americana, México 1996. Pags: 2195, 2196

  • RODELLA, Marzia. “Manual del Laboratorio de Fenómenos de Transporte”. I.U.P. “Santiago Mariño”. Valencia, Octubre 1994