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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN SUPERIOR UNIVERSIDAD BOLIVARIANA DE VENEZUELA PFG EN HIDROCARBUROS ESTADO ZULIA ALDEA UNIVERSITARIA CENTRO PETROLERO

Maracaibo, jueves, 21 de junio de 2012

REALIZADO POR: YAMIR CORRO

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INTRODUCCION Toda máquina que realiza trabajo con la finalidad de mantener un fluido en movimiento o provocar el desplazamiento o el flujo del mismo se podría ajustar al nombre de bomba o compresor, los que suelen evaluarse por cuatro características: Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir. Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable.

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EL PROBLEMA Estudiar las características, funcionamiento y aplicación de una bomba. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Realizar, una investigación de los diferentes usos de la bomba al igual que su diseño y metodología de construcción. OBJETIVO GENERAL Investigación de la bomba, su diseño y construcción. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Recopilar toda la información posible acerca de la investigación en cuestión. • Ordenar la información obtenida del tema de la investigación. • Diseño y construcción del compresor centrifugo. • Aplicación del principio. MARCO TEÓRICO La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen específico del mismo durante su paso a través del compresor. Comparados con turbo soplantes y ventiladores centrífugos o de circulación axial, en cuanto a la presión de salida, los compresores se clasifican generalmente como maquinas de alta presión, mientras que los ventiladores y soplantes se consideran de baja presión. Los compresores se emplean para aumentar la presión de una gran variedad de gases y vapores para un gran numero de aplicaciones. Un caso común es el compresor de aire, que suministra aire a elevada presión para transporte, pintura a pistola, inflamiento de neumáticos, limpieza, herramientas neumáticas y perforadoras. Otro es el compresor de refrigeración, empleado para comprimir el gas del vaporizador. Otras aplicaciones abarcan procesos químicos, conducción de gases, turbinas de gas y construcción. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACION Las bombas son ampliamente utilizados en la actualidad en campos de la Ingeniería y hacen posible nuestro modo de vida por razones como: •

Son parte importantísima de muchos sistemas de refrigeración y se encuentran en cada refrigerador casero, y en infinidad de sistemas de aire acondicionado.

•

Se encuentran en sistemas de generación de energía eléctrica, tal como lo es el Ciclo Brayton.

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Se encuentran en el interior muchos "motores de avión", como lo son los turborreactores y hacen posible su funcionamiento.

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se pueden comprimir gases para la red de alimentación de sistemas neumáticos, los cuales mueven fábricas completas.

Compresores de gas Los compresores de gas son dispositivos mecánicos que son accionados por un motor de tipo eléctrico que incrementa o comprime la presión de un fluido en su estado gaseoso haciendo que se reduzca su volumen. Encontramos varios tipos de compresores, así como de aplicaciones, entre ellas, la más conocida es la compresión de aire para ser empleada en máquinas herramientas tales como freno de vehículos, grúas, martillos neumáticos, etc.

Bomba de Propulsión directa

Bomba con motor de acoplamiento directo

También es relevante aquí la compresión de fluidos que se emplean como refrigerantes en la refrigeración por compresión de vapor. Así como las bombas, los compresores aumenta la presión del fluido originando la circulación del mismo en las cañerías de un sistema determinado; la elevación de temperatura y presión, se lleva a cabo mediante la compresión del gas a un menor volumen, lo que hace que también cambien sus estados termodinámicos. Existen cuatro tipos de compresores de gas: los centrífugos, los orbitales, el reciprocante y el rotativo- helicoidal. Los de tipo reciprocantes usan pistones, abriendo y cerrando sus válvulas aspiran o comprimen el gas, su uso ha disminuido en los últimos años y ha cedido el lugar a los compresores de tornillo. Turbocompresor Por otro lado, dentro del mundo de los compresores, encontramos el turbocompresor, éste sistema utiliza una turbina para comprimir los gases; por lo general esta máquina se asocia a motores de explosión aunque también se emplean

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en estaciones distribuidoras de gas natural para mandar el gas natural por los gasoductos.

En la industria automotriz Estos compresores están constituidos por una turbina movida por los gases de escape en cuyo eje se ubica un compresor centrífugo el cual toma el aire a presión atmosférica antes o después de que pasa por el filtro de aire. Luego, es comprimido antes de ser introducido en los cilindros. Este aumento de la presión de la carga hace que se introduzca en el cilindro un mayor volumen de mezcla que el actual volumen del cilindro permitiría, de esta forma el motor obtiene más potencia. DEFINICIÓN DE TERMINOS BASICOS DE LAS BOMBAS La terminología básica utilizada en la selección y diseño de compresores es la siguiente. 1. Presión. Entendemos por presión la fuerza ejercida por unidad de superficie por un fluido. Pero debemos distinguir entre: a) Presión barométrica o presión atmosférica b) Presión absoluta c) Presión relativa 2. Presión o tensión de Vapor 3. Altura Geométrica. Es la altura vertical comprendida desde el nivel de líquido a elevar hasta el punto más alto. 4. Altura de Aspiración. Comprende la distancia desde el nivel del líquido hasta el eje de la bomba. 5. Altura de impulsión. Se mide desde el eje de la bomba hasta el punto de máxima elevación. 6. Altura Manométrica. Es la suma de la geométrica más las pérdidas de carga. 7. Pérdida de carga. Son las pérdidas debidas al rozamiento del líquido con las paredes de la tubería y sus accesorios (válvulas, codos, ...)

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8. Caudal o Capacidad de una bomba es el volumen de líquido elevado por unidad de tiempo. 9. Curva característica. Una bomba no tiene un único punto de funcionamiento, sino una infinidad de ellos. La curva que une todos los puntos de funcionamientos posibles de una bomba, acoplada a un motor concreto, recibe el nombre de curva característica o curvas de la bomba, siendo los fabricantes los que suministran tal información. 10. NPSH = Altura Neta Positiva de Aspiración (del ingles Net positive Suction Head) es la diferencia entre la presión del líquido a bombear referida al eje del impulsor y la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo, referida en metros. Hay que distinguir entre: a) NPSH disponible depende del conjunto de la instalación elegida para la bomba y es una particularidad independiente del tipo de bomba. Es por tanto calculable. b) NPSH requerido es un dato básico peculiar de cada tipo de bomba, variable según modelo, tamaño y condiciones de servicio, que se determina pro prueba o cálculo, siendo un dato a facilitar por el fabricante el cual lo ha obtenido a través de ensayos. Para que una bomba funcione correctamente sin cavitación, ha de cumplirse que el NPSH disponible en la instalación, sea igual o mayor que el NPSH requerido por la bomba. 11. Cavitación. Ruido que se oye en el interior de la bomba causado por la explosión de las burbujas de vapor cuado la bomba opera con una aspiración excesiva. En general la cavitación indica un NPSH disponible insuficiente. 12. Número de Revoluciones. En las bombas centrífugas la relación de caudal suministrado a la altura de impulsión hace que el rodete tenga una forma determinada. Esta relación se expresa por el número específico de revoluciones (velocidad específica) Ns.

Donde: N es Velocidad de rotación (rpm); H altura total (ft) y Q caudal (gpm) en el punto de máximo rendimiento.

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13. Potencia hidráulica. Es la potencia precisada por la bomba exclusivamente para bombear el líquido. 14. Potencia absorbida (o potencia de freno). Es la potencia en el eje de la bomba y equivale a la potencia hidráulica más la potencia consumida en compensar los distintos tipos de pérdidas que se ocasionan en la bomba. Por consiguiente es mayor que la potencia hidráulica. 15. Potencia absorbida por el motor. Es mayor que la potencia absorbida por la bomba, pues hay que añadirle las pérdidas internas del motor eléctrico. 16. Rendimiento mecánico, o rendimiento de la bomba, equivale al cociente de dividir la potencia hidráulica y la potencia absorbida. Se expresa en porcentaje y es siempre menor que la unidad. TIPOS DE BOMBAS Según su clasificación los más utilizados son: Por desplazamiento continúo: ALTERNATIVOS: Rotatorios, Soplante de Lóbulos, de Tornillo, de paletas y de anillo líquido. Por flujo Continuo DINÁMICOS: Centrífugos, Flujo mixto, Axiales Todos los compresores deben tener un separador de líquidos y sólidos antes de la etapa de compresión. BOMBAS Las bombas en general son utilizadas parea líquidos. Estas trabajan simultáneamente con la presión atmosférica de forma que esta impulse el liquido hacia el interior de la bomba por la depresión que tiene lugar en el centro de la misma. Las bombas empleadas para gases y vapores suelen llamarse compresores. Los compresores poseen una tubería de succión por donde es aspirado el gas que dentro del compresor reduce su volumen y aumenta su presión. .

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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA BOMBA El principio de funcionamiento de una bomba centrífugo es el mismo que el de una compresor centrífuga, su diferencial principal es que el aire o el gas manejado en un compresor es compresible, mientras que los líquidos con los que trabaja una bomba, son prácticamente incompresibles. Los compresores centrífugos pueden desarrollar una presión en su interior, que depende de la naturaleza y las condiciones del gas que manejan y es virtualmente independiente de la carga del procesamiento. Las condiciones que es preciso tomar en cuenta son: 1.

La presión barométrica más baja

2.

La presión de admisión más baja

3.

La temperatura máxima de admisión

4.

La razón más alta de calores específicos

5.

La menor densidad relativa

6.

El volumen máximo de admisión

7.

La presión máxima de descarga

La mayoría de los compresores centrífugos funcionan a velocidades de 3.500 R.P.M. (revoluciones por minuto) o superiores y uno de los factores limitantes es el de la fatiga del impulsor. Los impulsores de los compresores centrífugos son por lo común motores eléctricos o turbinas de vapor o gas, con o sin engranajes de aumento de velocidad. En un compresor, como en una bomba centrífuga, la carga es independiente del fluido que se maneje. Los compresores centrífugos constan esencialmente de: caja, volutas, rodetes impulsores, un eje y un sistema de lubricación. Las volutas convierten la energía cinética del gas desarrollada por los impulsores en energía potencial o presión. La caja es la cubierta en que van ajustadas las volutas y esta proyectada para la presión a la que se ha de comprimir el gas. La caja se construye adaptándola a la aplicación particular y puede ser de hierro colado, acero estructural o fundición de acero. La compresión de un gas en un compresor centrífugo requiere con frecuencia un medio de ocluir el gas para evitar su fuga a la atmósfera o su contaminación. Existen varios tipos de oclusores: 1.

el de cierre mecánico con anillo de carbón

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2.

el gas inerte

3. aceite

el directo de aceite en el cojinete del compresor y los de gasto de

Todos están diseñados principalmente como cierre de funcionamiento y no de paro. Los compresores centrífugos se utilizan para una gran variedad de servicios, incluyendo 1.

enfriamiento y desecación,

2.

suministro de aire de combustión a hornos y calderas,

3.

sopladores de altos hornos, cúpulas y convertidores,

4.

transporte de materiales sólidos,

5.

procesos de flotación,

6.

por agitación y aireación, por ventilación,

como eliminadores y para comprimir gases o vapor PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE UNA BOMBA Los parámetros utilizados para el diseño de los compresores centrífugos son los siguientes: 1. Definir el esquema del proceso (Diagrama de flujo esquemático o constructivo). 2. Calcular los balances de materia y energía 3. Determinar el diámetro y altura de los recipientes de proceso y estimar el nivel de líquidos. 4. Definir la distribución y elevación para los equipos y tuberías. 5. Construir el diagrama tridimensional de tuberías, incluyendo las válvulas, uniones y accesorios. 6. Estimar la longitud de las tuberías. 7. Determinar los niveles bajo, normal y máximo de los líquidos en los recipientes de proceso ante las condiciones de aspiración y descarga de las bombas. 8. Calcular los requisitos de flujo: Velocidad, temperatura y presión (para condiciones normales y límites) 9. Determinar el diámetro de las tuberías. 10. Estimar los coeficientes de resistencia de válvulas y accesorios

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11. Estimar la perdida de carga en los equipos del tipo de intercambiadores de calor. 12. Calcular la potencia de las bombas 13. Calcular NPSHA 14. Seleccionar la bomba basándonos en el BEP. 15. Calcular la potencia del motor 16. Completar el diseño preliminar del proceso y enviar a los ingenieros mecánicos para definir los planos (incluyendo fijaciones, estructuras,...) 17. Preparar las curvas de altura Manométrica vs. Caudal del sistema para análisis. ECUACIONES PARA EL DISEÑO DE UNA BOMBA El diseño de compresores está basado en la aplicación de la primera y segunda ley de la Termodinámica. El balance de energía es tal que lo cambios en energía cinética y potencial son despreciables, así como las pérdidas de carga, con lo que queda: Donde: −W: Trabajo del compresor (kJ/kg) h2: Entalpía de descarga h1: Entalpía de entrada Para calcular es necesario conocer el modelo de la compresión, ya que el trabajo de compresión del gas responde a la ecuación:

En función del modelo de compresión tendremos un punto final diferente, así tenemos transformación isotérmica (T= cte) Donde:

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PARTES DE UNA BOMBA

Sección de un compresor centrífugo de diez etapas del tipo de separación horizontal. 1) Cámara de aislamiento que elimina la fuga externa de gas a la atmósfera. Sin peligro para la salud o de incendio. 2) Los cierres de entrepaño pueden eliminar o controlar las fugas. La porta puede recoger la fuga de gas o mantener un nivel de referencia. 3)-Las extensiones de los entrepaños permiten el accionamiento simultáneo de hasta cinco manguitos. 4) Las cámaras de los cojinetes forman parte de la carcasa para asegurar un alineamiento inamovible. 5) El comete de tracción es del tipo de doble cara para localizar exactamente el rotor y soportar las cargas residuales no anuladas por el tambor de compensación. También soporta las cargas vibrantes. 6) La construcción integral del cojinete permite; también el máximo aumento de presión a través de la carcasa. Elevado factor de seguridad. 7) Codos de retorno de 180° para el paso desde el difusor hasta el diafragma. 8) Desagües entre las etapas para arrastrar o separar el condensado.

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9) Los cierres de tipo laberinto entre las etapas son fácilmente reemplazables: se desenrolla el viejo y se arrolla el nuevo. 10) Tambor de compensación. El orificio del rodete está expuesto a la presión de entrada y el dorso a la presión de descarga. El tambor de compensación es una pared rotatoria utilizada para compensar el empuje diferencial. 11) Separación horizontal para máxima accesibilidad. 12) Relación máxima de compresión. Hasta diez etapas por carcasa. 13) Las paletas de guía son de tipo fijo o ajustable. El gas procedente del diafragma es conducido al orificio del rodete con el ángulo exactamente correcto. 14) Los rodetes montados sobre rotor constituyen el elemento primario de generación de presión en el compresor. 15) Los diafragmas son las paredes de separación.

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CONCLUSION La bomba es una herramienta, que puede ser utilizada en muchas aplicaciones de la vida diaria, en donde conociendo su funcionamiento y su principio de operación se puede entender de una manera más clara la forma en que éste nos puede ayudar para solventar o solucionar problemas o situaciones con las cuales nos topamos diariamente. Para un Ingeniero es importante tener este tipo de conocimientos previos. Es indispensable para la parte de diseño tener los conocimientos referidos al cálculo, los cuales se pueden realizar haciendo la relación entre los distintos diámetros del tubo, como por ejemplo el de la entrada del tubo, la garganta y la salida del tubo; igualmente teniendo el conocimiento del caudal que va a entrar en el mismo, o que se desea introducir para cumplir una determinada función (como la de crear vacío) y tomar muy en cuenta las presiones que debe llevar el fluido, ya que esto va a ser el factor más fundamental para que su función se lleve a cabo

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BIBLIOGRAFIA 1) BROWN, George. Operaciones Básicas de la Ingeniería Química. Editorial Marín, S.A. Barcelona 1.955. Pags: 2) GILES, Ronald V. “Mecánica de los fluidos e Hidráulica”. Serie de compendios Schaum. Segunda Edición. México 1.969. 3) MCNAUGHTON, Kenneth. “Bombas. Selección, Uso y Mantenimiento”. Editorial Interamericana, México 1.992