Sistemas de bombeo

SISTEMAS DE BOMBEO OPERAR LAS REDES DE ACUEDUCTO Y ALCANTARILLADO CON BASE EN LA DEMANDA DEL SERVICIO Fase II – Proyecto Formativo Tecnología en Agua y Saneamiento Instructor: Alexander Gómez Reyes



Las bombas se emplean para impulsar líquidos a través de sistemas de tuberías.



Deben mover el flujo volumétrico que se desea a la vez que desarrollan la carga dinámica total creada por cambios de elevación, diferencias de cargas de presión y de velocidad, así como todas las pérdidas de energía en el sistema.



Continuidad:  



A1v1 = A2v2

Energía en un fluido:

  

Q 1 = Q2



p/g = carga de presión



z = carga de elevación



RESTRICCIONES EC. BERNOULLI:

v2/2g = carga de velocidad



Entre las dos secciones no debe haber dispositivos mecánicos como bombas, motores de fluido o turbinas.



No puede haber pérdida de energía por fricción o turbulencia que generen válvulas y accesorios en el sistema de flujo.

Suma de los tres términos anteriores = carga total

Bernoulli:

GENERALIDADES



Ecuación general de la energía:



Una bomba añade energía al fluido.



Por lo general, un motor eléctrico impulsa un eje rotatorio en la bomba. La bomba aprovecha la energía cinética aportada por el motor y la transmite al fluido, es decir se genera movimiento en el mismo y aumento de su presión.



Pérdidas y ganancias de energía en un sistema se calculan en términos de energía por unidad de peso del fluido que circula dentro del mismo (carga).



En general, los términos que se manejan son:  

hA = energía que se agrega al fluido con un dispositivo mecánico (bomba).

hR = energía que se remueve del fluido por medio de un dispositivo mecánico (motor de fluido). 

hL = pérdidas de energía del sistema por fricción de las tuberías o pérdidas menores por válvula u otros accesorios.

GENERALIDADES

 Ecuación

general de la energía:

GENERALIDADES



Ecuación general de la energía:



La ecuación general de la energía se puede emplear como una extensión de la ecuación de Bernoulli.



En la figura anterior, E’1 y E’2 representan la energía por unidad de peso del fluido de las secciones 1 y 2.



Se pueden apreciar las energías agregadas, removidas y perdidas (hA, hR y hL).



En la figura anterior, la expresión del principio de conservación de la energía es: 



De acuerdo con lo anterior:

GENERALIDADES

E’1 + hA - hR - hL = E’2

 Ejemplo 

ecuación general de la energía:

De un depósito grande fluye agua a razón de 1,2 pie3/s por un sistema de tubería, como se ve en la figura siguiente. Calcular la cantidad total de energía que se pierde en el sistema debido a la válvula, codos, entrada de tubería y fricción del fluido.



Plantear la ecuación general de la energía para el sistema.

GENERALIDADES



Ecuación general de la energía para el sistema anterior:



Algunos términos de la ecuación anterior son iguales a cero, plantearlos.



P1 = 0 : superficie del depósito expuesto a la atmósfera.



P2 = 0 : corriente libre del fluido expuesta a la atmósfera.



v1 = 0 : el área superficial del depósito es grande.



hA, hR = 0 : en el sistema no hay dispositivos mecánicos.

GENERALIDADES



De acuerdo con lo anterior:



Para calcular la pérdida total de energía se debe despejar hL:

GENERALIDADES



Se calculan los términos de la ecuación anterior: 

z1 – z2 = 25 pies – 0 pies = 25 pies  

v2 = Q / A2

Q = 1,2 pie3/s 



r = (1,5 pulg) x 1 pie / (12 pulg) = 0,125 pies 

A2 = p.(0,125 pies)2

   

A2 = p.r2

A2 = 0,0491 pie2

v2 = (1,2 pie3/s) / (0,0491 pie2) = 24,44 pie/s

(v2)2/2g = (24,44 pie/s)2 / (2)(32,2 pie/s2) = 9,27 pies

Retomando la ecuación: hL = 25 pies – 9,27 pies = 15,73 pies

GENERALIDADES





El caudal de agua a través de la bomba de la siguiente figura es de 0,014 m3/s. Calcular la energía que transmite la bomba por unidad de peso del fluido en el sistema. Las pérdidas en el sistema son ocasionadas por la válvula de verificación y la fricción, mientras el fluido circula por la tubería; se determinó que la magnitud de dichas pérdidas es de 1,86 metros.



AA = 4,768 x 10-3 m2



AB = 2,168 x 10-3 m2

(Áreas de acuerdo con el Apéndice F, Dimensiones de tuberías de acero, de Mott, R. (2006).

Mecánica de Fluidos.

México; Pearson Educación)

ECUACIÓN DE LA ENERGÍA CON UNA BOMBA



Escribir la ecuación general de la energía del sistema.



Se debe despejar hA de la ecuación anterior (energía que transmite la bomba).



La carga total sobre la bomba (hA) corresponde a todas las tareas que debe hacer en el sistema:



debe incrementar la presión existente en el punto A en la entrada de la bomba a la que hay en el punto B;



debe elevar el fluido en la cantidad de la diferencia de elevación entre los puntos A y B;



debe suministrar la energía para aumentar la velocidad del fluido desde la que tiene en a tubería de mayor diámetro a la entrada de la bomba (tubería de succión) a la que tiene en la tubería de menor diámetro a la salida de la bomba (tubería de descarga);



debe superar las pérdidas de energía generadas por la válvula de verificación de la tubería de descarga por la fricción.

ECUACIÓN DE LA ENERGÍA CON UNA BOMBA

 pB  (pB

= 296 kPa y pA = -28 kPa

– pA) / g = (296 kN/m2 – (-28 kN/m2) / 9,81 kN/m3 = 33,03 m  zB

– zA = 1 m – 0 m = 1 m Q

= Av

 QA  AAvA

= ABvB

 vA

= Q/AA = (0,014 m3/s) / (4,768 x 10-3 m2) = 2,94 m/s

 vB

= Q/AB = (0,014 m3/s) / (2,168 x 10-3 m2) = 6,46 m/s

 (vB2

– vA2)/2g = ((6,46 m/s)2 – (2,94 m/s)2) / 2(9,81 m/s2) = 1,69 m  hL  hA

 Es

= QB

= 1,86 m (dato conocido previamente)

= 33,03 m + 1 m + 1,69 m + 1,86 m = 37,58 m

decir, la bomba suministra al sistema 37,58 m de energía.

ECUACIÓN DE LA ENERGÍA CON UNA BOMBA

 Flujo

volumétrico o caudal (Q): Volumen de fluido que circula en una sección por unidad de tiempo. Q

= Av

 Donde: A

= área de la sección.

v

= velocidad promedio del flujo.

 Flujo

en peso (W): Peso del fluido que circula en una sección por unidad de tiempo. W

 Donde: g

= peso específico del fluido

CONCEPTOS

= gQ

 Flujo

másico (M): Masa del fluido que circula en una sección por unidad de tiempo. M

= rQ

 Donde: r

= densidad del fluido

Símbolo

Nombre

Definición

Unidades del SI

Q W

Flujo volumétrico Flujo en peso

m3/s N/s

M

Flujo másico

Q=Av W = gQ W = gAv M = rQ M = rAv

CONCEPTOS

kg/s

Unidades sistema británico pie3/s lb/s

slugs/s

 Factores

de conversión de flujo volumétrico:  1,0  1,0

m3/s = 60.000 L/min

 1,0

gal/min = 3,785 L/min

 1,0

gal/min = 0,2271 m3/h

 1,0

CONCEPTOS

L/min = 0,06 m3/h

pie3/s = 449 gal /min

 Tasas

comunes de flujos volumétricos para distintos sistemas hidráulicos

m3/h

L/min

gal/min

Sistemas

0,9 – 7,5

15 – 125

4 – 33

Bombas recíprocas que manejan fluidos pesados y compuestos acuosos de lodo

0,60 – 6,0

10 – 100

3 – 30

Sistemas hidráulicos de aceites industriales

6,0 – 36

100 – 600

30 – 150

Sistemas hidráulicos para equipos móviles

2,4 – 270

40 – 4.500

10 – 1.200

Bombas centrífugas en procesos químicos

12 – 240

200 – 4.000

50 – 1.000

Bombas para control de flujos y drenaje

2,4 – 900

40 – 15.000

10 – 4.000

Bombas centrífugas para manejar desechos de minería

108 – 570

1.800 – 9.500

500 – 2.500

Bombas centrífugas de sistemas contraincendios

 Convertir

los siguientes caudales:  30

gal/min a pies3/s

 600  30

gal/min a L/min

 0,05  12  1,0  1,0

L/min = 0,06 m3/h

m3/s = 60.000 L/min

 1,0

gal/min = 3,785 L/min

 1,0

gal/min = 0,2271 m3/h

 1,0

pie3/s = 449 gal /min

CONCEPTOS

L/min a m3/s

m3/s a gal/min

pies3/s a L/min

 Fuerza:

Toda causa capaz de modificar el movimiento de un cuerpo, o de producir una deformación.

 Fuerza

centrípeta: Fuerza que atrae un objeto hacia el centro de un recorrido circular, mientras es objeto sigue su trayectoria a velocidad constante.

 Fuerza

centrífuga: Fuerza opuesta a la anterior y que mantiene al objeto dentro de su trayectoria.

CONCEPTOS

 Presión:

Fuerza por unidad de área. p

 Clases

= F/A

de presión:

 Presión

atmosférica (Patm): fuerza que ejerce el peso de la atmósfera en unidad de área. A mayor altura sobre el nivel del mar, menor es la presión atmosférica.

 Presión

manométrica (Pman): Presión que indica un manómetro.

 Presión

absoluta (Pabs): Presión medida con un nivel de referencia cero.

 Vacío:

Presión con un valor por debajo de la presión atmosférica.

CONCEPTOS

CONCEPTOS

 Exprese

una presión manométrica de 155 kPa en un sitio donde la Patm local es de 98 kPa:  Pabs

 Exprese

kPa:

= Patm local + Pman = 98 kPa + 155 kPa = 253 kPa

una presión de 225 kPa como Pman, si la Patm local es de 101

 Pman  Exprese

= Pabs – Patm local = 225 kPa – 101 kPa = 124 kPa

una presión de -6,2 psi como una Pabs:

 Pabs=

CONCEPTOS

Patm local + Pman = 14,7 psi + (-6,2 psi) = 8,5 psi

 Cabeza

de un fluido (Presión hidrostática): Altura que tiene una columna determinada de un fluido.

 La

presión ejercida por la cabeza del fluido no depende del diámetro del recipiente que lo contiene, sino de la altura del fluido sobre el punto determinado y del peso específico del mismo. p

 Otro

= gh

concepto asociado es la altura de elevación, puesto que el bombeo significa elevar un líquido de un nivel más bajo a uno más alto, en bombeo se expresa como H.

CONCEPTOS

 Principio

de Pascal (físico-matemático francés Blaise Pascal): Expresa que la presión ejercida por un fluido incompresible en cualquier punto de un recipiente de paredes indeformables, es la misma en cualquier dirección y ejerce una fuerza igual en todas las áreas.

 Debido

a que los líquidos son fluidos prácticamente incompresibles, la fuerza mecánica puede ser dirigida y controlada por medio del concepto de presión (F/A). p

= p0 + rgh

 Donde:

p

= presión total a la profundidad h (Pa)

 p0

= presión sobre la superficie libre del fluido

r

= densidad del fluido

g

= aceleración de la gravedad

CONCEPTOS

 Principio

de Pascal  p1  p1 = F1 /

A1

 F1=F2 (A1/A2)

A1

CONCEPTOS

= p2

p2 = F2 /A2 F2=F1 (A2/A1)

A2

 Amplitud

de presión: Límites máximos de presión con los cuales una bomba puede operar de manera adecuada.

 Volumen:

Cantidad de fluido que una bomba puede entregar a la presión de operación.

 Amplitud

de velocidad: Límites máximo y mínimo en los cuales las condiciones a la entrada y soporte de la carga permitirán a la bomba funcionar satisfactoriamente (unidades r.p.m.).

 Eficiencia:

Las máquinas que transforman la energía no son 100% eficientes; la potencia de entrada no es la misma que la potencia de salida. Se estima que una bomba debería dar el 80% del volumen o presión nominal.

CONCEPTOS

 Máquina:

Se define como un conjunto de elementos móviles o fijos, que son capaces de transformar energía de acuerdo a su tipo de ensamble.

 Maquinaria:

conjunto de máquinas que se aplican para un mismo fin.

MÁQUINAS

 Mecanismo:

conjunto de elementos mecánicos, donde existen algunos móviles, que se emplea para la transformación de energía proporcionada por un motor.

 Turbomáquina:

máquina en donde el elemento principal lo constituye un rodete o rotor, a través del cual un fluido circula en forma continua, cambiando cantidad de movimiento por la acción de la máquina.

 Se

presenta una transferencia de energía entre la máquina y el fluido (máquina-fluido o fluido-máquina)

MÁQUINAS

 Clasificación  1.

turbomáquinas:

Según el sentido de flujo de energía:

-

Motoras: La energía es entregada por el fluido a la máquina, que a su vez entrega trabajo mecánico. Son las llamadas turbinas.

-

Generadoras: La energía es entregada por la máquina al fluido, el trabajo se obtiene de éste (bombas, sopladores, ventiladores, etc.)

TURBOMÁQUINAS

 Clasificación  2.

turbomáquinas:

De acuerdo con el fluido que manejan:

-

Térmicas: Cuando el cambio en la densidad del fluido es significativo dentro de la máquina (compresores).

-

Hidráulicas: Cuando el cambio en la densidad del fluido no es significativo dentro de la máquina (bombas, ventiladores).

TURBOMÁQUINAS

 Variedad

de turbomáquina que emplea en su funcionamiento las propiedades de un fluido prácticamente incompresible, puesto que su densidad dentro del sistema no sufre variaciones importantes.

MÁQUINA HIDRÁULICA

 Es

una máquina hidráulica o dispositivo que transforma la energía mecánica en energía hidráulica.

 El

término bomba es usado generalmente en las maquinas de fluido que transfieren energía o bombean fluidos incompresibles, es decir no alteran la densidad del fluido de trabajo.

BOMBA HIDRÁULICA

 Las

bombas transfieren energía a la corriente del fluido, impulsándolo desde un estado de baja presión estática a otro de mayor presión.

 La

energía es transmitida inicialmente como energía mecánica a través de un eje para convertirse luego en energía hidráulica.

 La

bomba hidráulica debe tener una fuente continua de fluido disponible en el punto de entrada. Allí se crea un vacío parcial o de baja presión.

 Cuando

la presión en el puerto de entrada de la bomba es más baja que la Patm local, dicha Patm que actúa sobre el fluido lo impulsa a la entrada de la bomba.

BOMBA HIDRÁULICA

 Clasificación

de las bombas:

 Desplazamiento

-

positivo:

Reciprocantes o alternativas -

Rotativas

 Dinámicas: -

Centrífugas

-

Periféricas

TIPOS DE BOMBAS

 Desplazamiento

positivo:

 Consiste

en el movimiento del fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. En una maquina con desplazamiento positivo el elemento que origina el intercambio de energía puede ser de movimiento alternativo (émbolo) o de movimiento rotario (rotor).

 En

bombas de desplazamiento positivo (reciprocantes y rotativas) existe una cámara que aumenta volumen (succión) y disminuye volumen (impulsión), por esta razón se les denomina volumétricas.

 Generan

presión, bombean expandiendo y luego comprimiendo una cavidad dentro de la bomba.

 Son

aplicables para volúmenes pequeños, altas presiones, líquidos limpios.

TIPOS DE BOMBAS

 Desplazamiento  Capturan

descarga.

positivo:

el líquido y lo transportan por la bomba hasta la boquilla de

 En

la cavidad que se expande se genera una zona de baja presión o vacío, que origina que el líquido ingrese a la boquilla de succión.

 La

bomba transporta el líquido hacia la boquilla de descarga donde la cavidad se comprime, generando una zona de alta presión.

 Debido

a que la cavidad es fija, se puede decir que este tipo de bombas es de volumen constante por cada revolución o ciclo de mando.

 El

volumen del líquido se reduce hasta que la presión del mismo es igual a la presión del sistema de descarga. Es decir, el líquido se comprime mecánicamente causando un aumento directo en la energía.

TIPOS DE BOMBAS

 Desplazamiento

positivo:  Curva

TIPOS DE BOMBAS

teórica

 Desplazamiento

positivo:  Curva

TIPOS DE BOMBAS

real

 Dinámicas:  Imparten

velocidad y presión al fluido en la medida que éste se desplaza por el impulsor de la bomba, el cual gira a altas revoluciones, convirtiendo de esta forma la velocidad del fluido en energía de presión.

 El

principio de funcionamiento está determinado por la transferencia de energía centrífuga.

 La

energía cinética se imparte al fluido por el impulsor rotante que genera fuerza centrífuga.

 Principio

presión.

de Bernoulli: a menor velocidad en un fluido, mayor es su

 El

rango de operación en cuanto a alturas y caudales es más amplio que el de las bombas de desplazamiento positivo.

TIPOS DE BOMBAS

 Dinámicas:  Centrífugas:

Son bombas que aprovechan el movimiento de rotación de una rueda con paletas o rodete insertada en el cuerpo de la bomba.

 El

rodete cuando alcanza alta velocidad, proyecta hacia afuera el líquido aspirado anteriormente debido a la fuerza centrífuga que desarrolla.

TIPOS DE BOMBAS

 Dinámicas:  Centrífugas:

Son las bombas que más se emplean en la industria debido principalmente a que:

-

Son máquinas giratorias.

-

No tienen órganos articulados y los mecanismos de acoplamiento son sencillos.

-

La impulsión eléctrica del motor es sencilla.

-

Utilizan menos espacio.

-

Son relativamente livianas.

-

Su mantenimiento es relativamente sencillo.

TIPOS DE BOMBAS

 Dinámicas:  Centrífugas:  Elementos

constructivos:

 Impulsor:

gira con el eje de la máquina y consta de cierto número de álabes que ceden o imparten energía al fluido en forma de energía cinética y energía de presión.

 Caja

espiral (voluta): transforma también la energía dinámica en energía de presión y recoge además las pérdidas mínimas de energía del fluido que sale del rodete conduciéndolo hasta la tubería de salida.

TIPOS DE BOMBAS



Dinámicas:



Centrífugas: Generan flujo y presión acelerando y después frenando el movimiento del fluido dentro de la bomba.



El fluido entra en la boquilla de succión para atraparse luego entre los álabes del impulsor.



El impulsor gira a la velocidad del motor, mientras el fluido se detiene desde el diámetro interior hasta el diámetro exterior del impulsor y se acelera bruscamente.



El líquido sale del diámetro exterior del impulsor, se va contra la pared interna de la voluta y luego frena mientras se recolecta en el caracol de la voluta.



La velocidad se convierte en altura o presión disponible en la boquilla de descarga de la bomba.



Debido a que la velocidad del motor se mantiene constante, y que el diámetro del impulsor el fijo, se dice que la bomba centrífuga es de “altura o presión constante”.

TIPOS DE BOMBAS



Dinámicas:



Centrífugas: 

TIPOS DE BOMBAS

Curva teórica



Dinámicas:



Centrífugas: 

TIPOS DE BOMBAS

Curva real

 Dinámicas:

 Periféricas:

Son conocidas como bombas tipo turbina, de vértice y regenerativas.

 Se

producen turbulencias en el líquido por medio de los álabes a velocidades muy altas dentro del canal anular donde gira el impulsor.

 El

líquido va recibiendo impulsos de energía.

TIPOS DE BOMBAS

ï‚„

TIPOS DE BOMBAS

Diferencia conceptual:

 Se

deben tener en cuenta principalmente los siguientes criterios para seleccionar una bomba:



Altura Dinámica Total: Altura impulsión + - Altura Succión + Pérdidas en la succión + Pérdidas en la impulsión

-

Caudal

-

NPSH:  



NPSHd > NPSHr

Sistema > bomba

NPSHd = Presión atmosférica (+-) altura estática succión – pérdidas succión presión vapor (despreciable)

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BOMBAS



NPSH (Carga neta de succión positiva - NPSH): Es la presión disponible o requerida para forzar un caudal determinado a través de la tubería de succión, al ojo del impulsor, cilindro o carcasa de una bomba. En el bombeo de líquidos la presión en cualquier punto en la línea de succión nunca deberá reducirse a la presión de vapor del líquido.



NPSHd (disponible): Esta depende de la carga de succión o elevación, la carga de fricción, y la presión de vapor del líquido manejado a la temperatura de bombeo. Si se varía cualquiera de estos puntos, la NPSH puede alterarse.



NPSHr (requerida): Esta depende sólo del diseño de la bomba y se obtiene del fabricante para cada bomba en particular, según su tipo, modelo, capacidad y velocidad.

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BOMBAS

 Presión

atmosférica (Guía)

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BOMBAS

 Curva

de una bomba:

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BOMBAS

 Curvas

características de una bomba centrífuga



Sistema de bombeo en paralelo



Se utiliza para aumentar el caudal del sistema H Sistema en paralelo

Q1

Q2

Q1+Q2

Q

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BOMBAS

 Curvas

características de una bomba centrífuga



Sistema de bombeo en serie



Se utiliza para aumentar la altura de servicio del sistema H

H1+ H2

Sistema en serie

H2 H1

Q

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BOMBAS

 Giles,

Hill.

 Mott,

R. (1982). Mecánica de los Fluidos e Hidráulica. México; McGrawR. (2006). Mecánica de Fluidos. México; Pearson Educación.

 Rivera,

E. (2001). Introducción a la Mecánica de Fluidos. Recuperado de http://erivera-2001.com/files/Introduccion.pdf

 Rincón,

C (sin fecha). Módulo bombas. Recuperado http://www.slideshare.net/JHONRUBIO/presentac1bombas

de

 Flores,

V. (sin fecha). Sistemas hidráulicos-bombas hidráulicas.

Recuperado de http://www.slideshare.net/vfloresg/bombas-hidrulicas

 Colagiacomo,

Ch. (sin fecha). Tema VIII: Bombas. Recuperado de http://www.slideshare.net/luisjmacias1/bombas-27757512

 Aristizábal,

M. (sin fecha). Eficiencia en bombas. Recuperado de http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/efi cienciaenbombas/eficienciaenbombas.html

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS