Laboratorio de Operaciones Unitarias Bombas

BOMBAS . OBJETIVOS General Desarrollar habilidades para el planeamiento, ejecucin y evaluacin de resultados de experimentos sobre desempeo de bombas centrifugas accionadas por motores elctricos. Especficos Realizar correctamente mediciones de condiciones de operacin de una bomba centrifuga en un sistema de flujo. Operar de forma segura una bomba centrifuga accionada por un motor elctrico. Reconocer la ocurrencia de condiciones de cavitacin de bombas centrifugas. Interpretar correctamente la informacin proporcionada por los fabricantes de bombas centrifugas sobre las caractersticas de esos equipos y su desempeo. Realizar correctamente mediciones para determinar las condiciones de operacin de una bomba centrifuga. Determinar el desempeo de bombas centrifugas a distintas condiciones de operacin a partir de la informacin proporcionada por el fabricante. Analizar, evaluar e interpretar resultados experimentales sobre el desempeo de bombas en sistemas de impulsin de fluidos a travs de sistemas de flujo. . FUNDAMENTO TEORICO Siempre que tratemos temas como procesos qumicos, y de cualquier circulacin de fluidos estamos, de alguna manera entrando en el tema de bombas. El funcionamiento en si de la bomba ser el de un convertidor de energa, o sea, transformara la energa mecnica en energa cintica, generando presin y velocidad en el fluido. Existen muchos tipos de bombas para diferentes aplicaciones. Los factores ms importantes que permiten escoger un sistema de bombeo adecuado son: presin, velocidad de bombeo y tipo de fluido. 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 expresin: PB = H..g.Q Donde: H, es el head de la bomba, , es la densidad del fluido, g, es la aceleracin de la gravedad y Q es el caudal. b) Altura de succin y cavitacin. La potencia calculada mediante la Ecuacin (1) depende de la diferencia de presin entre la descarga y la succin y es independiente de la presin absoluta. A partir de consideraciones energticas es irrelevante que la presin de succin sea inferior o superior a la presin atmosfrica siempre que el fluido permanezca en estado lquido. Sin embargo, si la presin de succin es slo ligeramente superior a la presin de vapor, algo de lquido puede vaporizarse sbitamente dentro de la bomba, dando lugar a un proceso que recibe el nombre de cavitacin, que reduce grandemente la capacidad de la bomba y provoca una severa erosin. Si la presin de succin es realmente menor que la presin de vapor, la cavitacin se producir en la lnea y no puede entrar lquido en la bomba. (1)

Laboratorio de Operaciones Unitarias BombasPara evitar la cavitacin es preciso que la presin a la entrada de la bomba supere a la presin de vapor en una cierta cantidad, que recibe el nombre de carga neta de succin positiva (NPSH). El valor de la NPSH que se requiere es del orden de 1,5 a 3 m para bombas centrfugas pequeas (hasta 400 litros/minuto), pero aumenta con la capacidad de la bomba, la velocidad del rodete y la presin de descarga, recomendndose valores de hasta 15 m para bombas muy grandes. Para una bomba que succiona desde un depsito, la NPSH se calcula habitualmente mediante la presin, segn: NPSH = g .( Donde: Pa: presin absoluta en el depsito. Pv: presin de vapor. hf: prdida de carga desde la toma de la bomba hasta la bomba. Za: altura de la bomba con respecto al nivel del tanque. c) Bombas de desplazamiento positivo. En el primer gran tipo de bombas un volumen determinado de lquido queda encerrado en una cmara que, alternativamente, se llena desde la entrada y se vaca a una presin ms alta a travs de la descarga. Existen dos subclases de bombas de desplazamiento positivo. En las bombas alternativas la cmara es un cilindro estacionario que contiene un mbolo, mientras que en las bombas rotatorias la cmara se mueve desde la entrada hasta la descarga y regresa nuevamente a la entrada. d) Rendimiento volumtrico. La relacin entre el volumen de fluido descargado y el volumen barrido por el mbolo recibe el nombre de rendimiento volumtrico. En las bombas de desplazamiento positivo el rendimiento volumtrico se mantiene casi constante al aumentar la presin de descarga, si bien disminuye algo debido a las fugas. Habida cuenta de su constancia del flujo volumtrico, las bombas de mbolo, de mbolo macizo y de diafragma son ampliamente utilizadas como bombas de medida, que inyectan lquido en un proceso con un flujo volumtrico controlado y ajustable. e) Bombas centrfugas. En la segunda clase ms importante de bombas, la energa mecnica del lquido se aumenta por accin centrfuga. En la Figura 1.a se representa un ejemplo sencillo, pero muy corriente de bomba centrfuga. El lquido penetra a travs de una unin de succin, concntrica con el eje de una pieza que gira a gran velocidad, llamada impulsor o rodete. El rodete est provisto de labes radiales solidarios con el mismo. El lquido circula hacia fuera, por el interior de los espacios que existen entre los labes, 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 labes est totalmente lleno de lquido que circula sin cavitacin. El lquido que sale perifricamente del rodete se recoge en una carcasa en espiral, llamada voluta, y sale de la bomba a travs de una conduccin tangencial de descarga. En la voluta, la carga de velocidad del lquido procedente del rodete, se convierte en carga de presin. El fluido recibe energa del rodete, que a su vez es transmitida al mismo mediante el par de un eje giratorio, generalmente accionado mediante conexin directa a un motor de velocidad constante, del orden de 1750 rpm. En condiciones ideales de flujo sin friccin, el rendimiento mecnico de una bomba centrfuga 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 especfica. Las bombas reales, debido a la friccin y a otras deficiencias, tienen un rendimiento algo menor. Las bombas centrfugas constituyen, en la prctica, el tipo ms corriente de aparatos de bombeo. Existen muchos otros tipos adems de la sencilla mquina de voluta de la Figura 1.a. Un tipo muy corriente emplea un rodete de doble succin, que toma el lquido por ambos lados, segn se indica en la Figura 1.b. Por otragc Pa Pv

hf ) Za

(2)

Laboratorio de Operaciones Unitarias Bombasparte, el rodete puede ser abierto o bien puede estar cerrado o reforzado. En los manuales y libros sobre bombas y especialmente en los catlogos de las casas constructoras se pueden encontrar los diversos tipos, tamaos y diseos de bombas centrfugas.

Figura 1.a bomba centrfuga de succin sencilla.

Figura 1.b bomba centrfuga de Succin doble.

f) Rendimiento. El rendimiento de una bomba es la relacin 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 rendimiento disminuye rpidamente con la velocidad de flujo para bajas velocidades, alcanza un mximo en la regin de la capacidad especificada de la bomba, y disminuye despus a medida que la velocidad de flujo se aproxima al valor de carga cero.

Figura 2 Curvas Caractersticas de una bomba. g) Bombas en serie. Supongamos dos bombas gemelas en serie, es decir que la impulsin de una bomba llega a aspiracin 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 1 3 A Ho 4

1

2

Q

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Figura 3 Arreglo de bombas en serie Si la curva de carga del sistema es la indicada con lnea 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 la potencia esQ H

para una bomba. Para dos ser 2

Q H

o sea Q

2H siendo H la

altura que corresponde a cada bomba en 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 caractersticas es posible, pero ofrece dificultades. Se debe instalar la de mayor capacidad como primera etapa, ya que si no fuera as podra faltar alimentacin a la bomba ms potente. h) Bombas en paralelo. El caso de bombas en paralelo se presenta frecuentemente en la prctica. Las elevadoras se proyectan generalmente con dos o ms unidades que pueden funcionar en paralelo. Las curvas resultantes se transforman como sigue:

Curva del conjunto

1

2

3

Ho

Curva de carga del sistema

Figura 4 Arreglo de bombas en paralelo A B 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