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• Luis Cesar Gutierrez Medrano

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LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I

Laboratorio de Bombas

LABORATORIO DE BOMBAS I. OBJETIVOS: a) General: 

Desarrollar habilidades para el planeamiento, ejecución y evaluación de resultados de experimentos sobre desempeño de bombas centrifugas accionadas por motores eléctricos.

b) Específicos: 

Realizar correctamente mediciones de condiciones de operación de una bomba centrifuga en un sistema de flujo.



Operar de forma segura una bomba centrifuga accionada por un motor eléctrico.



Reconocer la ocurrencia de condiciones de cavitación de bombas centrifugas.



Interpretar correctamente la información proporcionada por los fabricantes de bombas centrifugas sobre las características de esos equipos y su desempeño.



Realizar correctamente mediciones para determinar las condiciones de operación de una bomba centrifuga.



Determinar el desempeño de bombas centrifugas a distintas condiciones de operación a partir de la información proporcionada por el fabricante.



Analizar, evaluar e interpretar resultados experimentales sobre el desempeño de bombas en sistemas de impulsión de fluidos a través de sistemas de flujo.

II. FUNDAMENTO TEORICO: Al tratar temas de cualquier circulación de fluidos estamos, de alguna manera entrando en el tema de bombas. El funcionamiento en si de la bomba será el de un convertidor de energía, o sea, transformara la energía mecánica en energía cinética, generando presión y velocidad en el fluido. Existen muchos tipos de bombas para diferentes aplicaciones, por ello también hay diversos factores importantes que nos permiten escoger un sistema de bombeo adecuado, tales son: presión, velocidad de bombeo y tipo de fluido.

1. Clasificación de bombas. 1.1. Bombas de desplazamiento positivo. En el primer gran tipo de bombas un volumen determinado de líquido queda encerrado en una cámara que, alternativamente, se llena desde la entrada y se vacía a una presión más alta a

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través de la descarga. Existen dos subclases de bombas de desplazamiento positivo. En las bombas alternativas la cámara es un cilindro estacionario que contiene un émbolo, mientras que en las bombas rotatorias la cámara se mueve desde la entrada hasta la descarga y regresa nuevamente a la entrada.

a. Bombas Reciprocantes.Añaden energía al sistema fluido mediante un pistón que actúa

contra

un

líquido.

El

pistón

es

accionado,

generalmente, por un motor eléctrico. Por cada carrera del pistón la bomba descarga una cantidad fija del fluido. - Aplicaciones: Descarga de fluidos relativamente viscosos. - Ventajas: Son capaces de obtener altas presiones. - Desventajas: No pueden trabajar con fluidos sólidos abrasivos en suspensión.

b. Bombas Rotatorias (gear pumps) Contiene dos ruedas dentadas (engranajes) que encajan ajustadamente. Al girar los dos engranajes en sentido contrario, en el espacio libre entre los dientes de éstos y el cuerpo de la bomba queda atrapada una masa de fluido, la que es transportada hacia la salida. - Aplicaciones: Manejo de líquidos de cualquier viscosidad,

descargas

masivas,

manejo

de

alimentos, para carga de vehículos tanques, para protección contra incendios, manejo de grasa, gases licuados, etc. - Ventajas: Pueden manejar fluidos altamente viscosos, no tienen válvulas, y combinan las características de flujo constante de la bomba centrifuga con el efecto positivo de la bomba reciprocante. -

Desventajas:

Líquidos

corrosivos

o

con

sustancias abrasivas pueden causar un prematuro desgaste en parte de la bomba. No deben usarse en instalaciones donde halla probabilidades de que giren en seco en algún momento.

1.2. Bombas Centrífugas. En la segunda clase más importante de bombas, la energía mecánica del líquido se aumenta por acción centrífuga. En la Figura 1.a se representa un ejemplo sencillo, pero muy corriente de bomba centrífuga. El líquido penetra a través de una unión de succión, concéntrica con el eje de una pieza que gira a gran velocidad, llamada impulsor o rodete. El rodete está provisto de álabes

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radiales solidarios con el mismo. El líquido circula hacia fuera, por el interior de los espacios que existen entre los álabes, y abandona el rodete con una velocidad mucho mayor que a la entrada del mismo. En una bomba que funciona normalmente, el espacio comprendido entre los álabes está totalmente lleno de líquido que circula sin cavitación. El líquido que sale periféricamente del rodete se recoge en una carcasa en espiral, llamada voluta, y sale de la bomba a través de una conducción tangencial de descarga. En la voluta, la carga de velocidad del líquido procedente del rodete, se convierte en carga de presión. El fluido recibe energía del rodete, que a su vez es transmitida al mismo mediante el par de un eje giratorio, generalmente accionado mediante conexión directa a un motor de velocidad constante, del orden de 1750 rpm. En condiciones ideales de flujo sin fricción, el rendimiento mecánico de una bomba centrífuga es evidentemente del 100 por 100 y q = 1. Una bomba ideal que opera con una velocidad determinada, genera una velocidad de descarga constante para cada carga específica. Las bombas reales, debido a la fricción y a otras deficiencias, tienen un rendimiento algo menor. Las bombas centrífugas constituyen, en la práctica, el tipo más corriente de aparatos de bombeo. Existen muchos otros tipos además de la sencilla máquina de voluta de la Figura 1.a. Un tipo muy corriente emplea un rodete de doble succión, que toma el líquido por ambos lados, según se indica en la Figura 1.b. Por otra parte, el rodete puede ser abierto o bien puede estar cerrado o reforzado. En los manuales y libros sobre bombas y especialmente en los catálogos de las casas constructoras se pueden encontrar los diversos tipos, tamaños y diseños de bombas centrífugas.

Figura 1.a bomba centrífuga de succión sencilla.

Figura 1.b bomba centrífuga de Succión doble.

El fluido ingresa aquí en el centro del impulsor o rodete que gira, y es arrojado hacia la periferia, el fluido ha adquirido una gran velocidad y, por lo tanto, gran energía cinética. La transferencia de

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esta energía cinética en energía de presión produce la diferencia de presión entre la zona lateral de succión y la zona de descarga de la bomba. - Aplicaciones: Se emplean para bombear cantidades tan pequeñas como unos cuantos galones por minuto y con una pequeña altura de carga como para bombear cientos de miles de gpm con alturas de carga de 100 m. - Ventajas: Simple construcción, bajo costo. El fluido es entregado a presión esencialmente constante, sin variaciones bruscas ni pulsaciones. Pueden acoplarse directamente al eje del motor necesario para la operación. La línea de descarga puede reducirse, o inclusive cerrarse, sin dañar la bomba. Pueden usarse con líquidos que contiene gran cantidad de sólidos en suspensión. Trabaja sin válvulas y su costo de mantenimiento es inferior a otros tipos de bombas. - Desventajas: No pueden trabajar con grandes diferencias de presión. No deben girar sin estar el rodete o el impulsor lleno de líquido, porque de lo contrario puede producirse rozamiento en los arcos de cierre; en general deben cebarse. Su adecuada eficiencia mecánica sólo puede obtenerse

en

un

estrecho

intervalo

de

condiciones operativas. No operan eficientemente con fluidos muy viscosos.

2. Selección del tipo de bombas Para ello, los factores más importantes a tener en cuenta son:  El flujo másico de fluido a bombear. Ello determina las dimensiones de la bomba y la cantidad de bombas necesarias.  Las propiedades del fluido: densidad, viscosidad... ello determina la potencia necesaria.  El aumento de la presión en el fluido, es determinado con un balance de energía en el sistema. Este factor es uno de los más importantes en la determinación de la potencia necesaria.  Tipo de distribución de flujo.  Costo eficiencia de la bomba.

En resumen, para seleccionar una bomba debe seguirse las siguientes etapas:  Hacer un diagrama de la bomba y del equipo de bombeo, y calcular la presión total necesaria.  Determinar la capacidad, y dejar preferentemente un margen de seguridad (5%-20%), para alguna variación.  Examinar las condiciones del líquido: densidad, viscosidad, presión de vapor, la cual es importante para el cálculo del NPSH, en la instalación de una bomba, pH, materia sólida en suspensión, etc.

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a) Potencia necesaria. La potencia suministrada a la bomba desde una fuente externa se representa por PB, y se calcula a partir del head de la bomba (H), mediante la expresión:

PB = H.ρ.g.Q

(1)

Donde: H, head de la bomba, ρ, densidad del fluido, g, aceleración de la gravedad y Q, el caudal.

b) Altura de succión y cavitación. La potencia calculada mediante la Ecuación (1) depende de la diferencia de presión entre la descarga y la succión y es independiente de la presión absoluta. A partir de consideraciones energéticas es irrelevante que la presión de succión sea inferior o superior a la presión atmosférica siempre que el fluido permanezca en estado líquido. Sin embargo, si la presión de succión es sólo ligeramente superior a la presión de vapor, algo de líquido puede vaporizarse súbitamente dentro de la bomba, dando lugar a un proceso que recibe el nombre de cavitación, que reduce grandemente la capacidad de la bomba y provoca una severa erosión. Si la presión de succión es realmente menor que la presión de vapor, la cavitación se producirá en la línea y no puede entrar líquido en la bomba.

Para evitar la cavitación es preciso que la presión a la entrada de la bomba supere a la presión de vapor en una cierta cantidad, que recibe el nombre de carga neta de succión positiva (NPSH). El valor de la NPSH que se requiere es del orden de 1,5 a 3 m para bombas centrífugas pequeñas (hasta 400 litros/minuto), pero aumenta con la capacidad de la bomba, la velocidad del rodete y la presión de descarga, recomendándose valores de hasta 15 m para bombas muy grandes. Para una bomba que succiona desde un depósito, la NPSH se calcula habitualmente mediante la presión, según:

NPSH =

gc Pa  Pv .(  hf )  Za g 

(2)

Donde: Pa: presión absoluta en el depósito. Pv: presión de vapor. hf: pérdida de carga desde la toma de la bomba hasta la bomba. Za: altura de la bomba con respecto al nivel del tanque.

c) Rendimiento volumétrico. La relación entre el volumen de fluido descargado y el volumen barrido por el émbolo recibe el nombre de rendimiento volumétrico. En las bombas de desplazamiento positivo el rendimiento

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volumétrico se mantiene casi constante al aumentar la presión de descarga, si bien disminuye algo debido a las fugas. Habida cuenta de su constancia del flujo volumétrico, las bombas de émbolo, de émbolo macizo y de diafragma son ampliamente utilizadas como «bombas de medida», que inyectan líquido en un proceso con un flujo volumétrico controlado y ajustable.

d) Curvas características; relación carga-capacidad. Las representaciones gráficas de la carga real, el consumo total de potencial y el rendimiento, frente a la velocidad volumétrica de flujo, reciben el nombre de curvas de características de una bomba. Tales curvas se representan esquemáticamente en la Figura 2. En la Figura 2.a la relación entre la carga teórica y la velocidad de flujo (generalmente llamada «carga-capacidad») es una línea recta, la carga real desarrollada es considerablemente menor y cae bruscamente hacia cero a medida que la velocidad aumenta hasta un cierto valor en cualquier bomba dada. Esto recibe el nombre de velocidad de flujo a carga cero, y representa el flujo máximo que puede producir la bomba en cualesquiera condiciones. La velocidad de flujo óptima de operación, es, por supuesto, menor que ésta. La diferencia entre las curvas teórica y real se debe esencialmente al flujo circulatorio. Otros factores que contribuyen a la pérdida de carga son la fricción del fluido en los conductos y canales de la bomba y a las pérdidas de choque debidas al cambio brusco de dirección del líquido que sale del rodete, así como a la unión de la corriente de líquido que circula circunferencialmente alrededor de la carcasa. La fricción adquiere el valor más elevado para la máxima velocidad de flujo; las pérdidas de choque son mínimas para las condiciones de operación estipuladas para la bomba y aumentan al aumentar o disminuir el valor especificado.

e) Curvas de potencia. En la Figura 2.b se presentan curvas típicas de la potencia del fluido Pf y la potencia total PB frente a la velocidad de flujo. La diferencia entre el funcionamiento ideal y el real representa la pérdida de potencia en la bomba, que se debe a la fricción del fluido y las pérdidas de choque, con conversión de energía mecánica en calor, y pérdidas por fugas, fricción de disco y en los cojinetes. Las fugas representan un flujo invertido desde la descarga del rodete hasta el orificio de succión, y dan lugar a una reducción del volumen real descargado por la bomba por unidad de potencia consumida. La fricción de disco es la fricción que tiene lugar entre la superficie exterior del rodete y el líquido que ocupa el espacio comprendido entre el rodete y la parte interior de la carcasa. Las pérdidas en los cojinetes representan la potencia que se requiere para vencer la fricción mecánica en los cojinetes y cierre de la bomba.

f) Rendimiento. El rendimiento de una bomba es la relación entre la potencia comunicada al fluido y la entrada total de potencia. La curva de la Figura 2.c, derivada de las curvas de la Figura 2.b, indica que el

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rendimiento disminuye rápidamente con la velocidad de flujo para bajas velocidades, alcanza un máximo en la región de la capacidad especificada de la bomba, y disminuye después a medida que la velocidad de flujo se aproxima al valor de carga cero.

Figura 2 Curvas Características de una bomba.

g) Bombas de Cebado, carga teórica desarrollada por una bomba centrífuga (head de la bomba), depende de la velocidad del rodete, del radio del mismo y de la velocidad del fluido que sale del rodete. Si estos factores son constantes, la carga desarrollada es la misma, cualquiera que sea el peso específico del fluido y es igual para líquidos y gases. El aumento de presión, sin embargo, es igual al producto de la carga desarrollada por el peso específico del fluido. Si una bomba desarrolla, por ejemplo, una carga de 100 pies, y está llena de agua, el aumento de presión es igual a 100 x 62,3/144 = 43 lb-f/pulg2. Si la bomba está llena con aire en condiciones ordinarias, el aumento de presión es del orden de 0,l lb-f/pulg2. Una bomba centrífuga que operase con aire no podría elevar el líquido desde una conducción de succión inicialmente vacía, ni hacerlo circular a través de la línea llena de líquido. Una bomba con aire en su carcasa, se dice que está «taponada con aire» y no puede funcionar hasta que el aire haya sido reemplazado por líquido. El aire puede ser desalojado cebando la bomba desde un tanque auxiliar de cebado, conectado a la tubería de succión o bien introduciendo líquido en la misma mediante un dispositivo de vacío independiente. Existen, por otra parte, varios tipos de bombas de auto cebado. Las bombas de desplazamiento positivo comprimen el gas hasta una presión de descarga deseada y no están sometidas a «taponamiento con aire».

h) Operación en serie y en paralelo En muchas instalaciones las bombas deben trabajar en serie y en paralelo. A continuación veremos como se combinan las curvas características de cada unidad cuando funcionan en conjunto. h.1) Bombas en serie

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Supongamos dos bombas gemelas en serie, es decir que la impulsión de una bomba llega a aspiración de la otra. En este caso el gasto que circula por ambas bombas es el mismo y para cada gasto se obtiene el doble de la carga correspondiente a una bomba. La curva Q-H resultante se obtiene duplicando para cada gasto la carga correspondiente Q1A=AB.

H B Ho

4 1 3 A

Ho

1

2

Q

Figura 3 Arreglo de bombas en serie

Si la curva de carga del sistema es la indicada con línea de segmentos, podemos observar que el gasto que se obtiene con las dos bombas es inferior al doble de que se obtiene con una sola 0-2 < 2(0-1). Del mismo modo la altura correspondiente a las dos bombas es inferior del doble de la correspondiente a una sola 2-4 < 2(1-3). El rendimiento se obtiene para cada Q de la curva correspondiente a una bomba. En efecto

QH la potencia es  para una bomba. QH 2H Q  siendo H la altura que corresponde a cada bomba en Para dos será 2  o sea serie. La curva de potencia se obtiene para cada gasto, sumando las potencias de ambas bombas. La puesta en serie de dos bombas de distintas características es posible, pero ofrece dificultades. Se debe instalar la de mayor capacidad como primera etapa, ya que si no fuera así podría faltar alimentación a la bomba más potente.

h.2) Bombas en paralelo

El caso de bombas en paralelo se presenta frecuentemente en la práctica. Las elevadoras se proyectan generalmente con dos o más unidades que pueden funcionar en paralelo. Las curvas resultantes se transforman como sigue:

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Curva del conjunto

1

2

3

Ho

Curva de carga del sistema A

B

Figura 4 Arreglo de bombas en paralelo

Q-H. Para construir la curva resultante para 2 bombas gemelas en paralelo, se suman los gastos para cada carga. O sea la curva parte del mismo punto en el eje de la H y se verifica que 1-2 = 2-3. Al combinarla con la curva de carga del sistema, como la de segmentos, se puede ver que el gasto que dan las bombas gemelas en paralelo es inferior al doble del que da una sola: 0-B