Escuela de Ingeniería Química e Ingeniería en Industrias

Mecánica de Fluidos

Mercedes Alexandra Villa Achupallas

� Siempre que tratemos temas como procesosquímicos, y de cualquier circulación defluidos estamos, de alguna manera entrandoen 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 enel fluido.

�Maquina hidráulica que convierte la energía mecánica en energía de presión, transferida a un fluido.

�Existen muchos tipos de bombas para diferentes aplicaciones.

�Las bombas se clasifican en tres tipos

principales:

1. De émbolo alternativo

2. De émbolo rotativo

3. Rotó dinámicas

� Los factores más importantes que permitenescoger un sistema de bombeo adecuado son:

1. Presión última,

2. Presión de proceso,

3. Velocidad de bombeo,

4. Tipo de fluido a bombear (laeficiencia de cada bomba varía segúnel fluido).

�De Bernoulli, sabemos que la línea deenergía esta dada por la suma de la carga deposición, carga de presión y carga develocidad.

� Al trabajar con fluidos reales, se debe teneren cuenta las pérdidas que se producen porrozamiento con la tubería que contiene elfluido, y por accesorios.

� Si aplicamos el Bernoulli al caso de unabomba, hay que hacerlo entre la brida deaspiración (A) y la de impulsión (I), y se debetener en cuenta la energía que proporcionala bomba al fluido (altura de la bomba, Hb),quedando la ecuación:

• Todas las alturas (de presión, velocidad,geodésico y de la bomba) se suelenexpresar en metros de columna de líquido(m.c.l.).

� Altura en función del caudal: H = H(Q)

� Rendimiento en función del caudal: η = η (Q)

� Potencia en función del caudal: P = P(Q)

� Las constantes: A,B,C,D y E sonproporcionados por el fabricante.

Si combinamos la curva de carga del sistema con la curva de potenciade la bomba, obtenemos el punto de intersección de ambas, lascaracterísticas de funcionamiento, es decir el gasto y la altura con lascuales funcionará la bomba

Si se requiere alcanzar mayor elevación o altura.

Si se requiere conducir mayor caudal.

�Hay que considerar las siguientes alturas de elevación:

�Aspiración: Elevando el agua desde su nivelhasta la bomba, por medio de la tubería deaspiración. En esta fase la bomba ejerce unvacío en la tubería de aspiración, con el finde que el agua pueda subir por ellaimpulsada por la presión atmosférica.

� Impulsión: Conducción del agua desde labomba hasta su destino, por medio de latubería de impulsión. En esta fase la bombaejerce la presión necesaria para que el aguase traslade a lo largo de la tubería deimpulsión.

� Altura geométrica de aspiración (Ha): Es la distanciavertical existente entre el eje de la bomba y elnivel inferior del agua.

� Altura geométrica de impulsión (Hi): Es la distanciavertical existente entre el nivel superior del agua(superficie del agua en el depósito de impulsión o elpunto de descarga libre de la tubería de impulsión)y el eje de la bomba.

� Altura geométrica de elevación: Es la distanciavertical existente entre los niveles superior einferior del agua.

� Altura manométrica de aspiración: (Ha+ Hf) Es iguala la altura geométrica de aspiración más laspérdidas de carga en la tubería de aspiración.

� Altura manométrica de impulsión: (Hi+Hf)Esigual a la altura geométrica de impulsión máslas pérdidas de carga en la tubería deimpulsión.

� Altura manométrica total o altura total deelevación (Hm): Es la suma de las alturasmanométricas de aspiración e impulsión.

� Esta debe ser suministrada por la bomba, yes independiente del peso específico dellíquido, por lo que sólo puede expresarse enmetros de columna de agua (mca).

� Desplazamiento: Es el caudal teórico queentrega la bomba (ejm: gal/min, m³/s, l/s).

� Deslizamiento: Es la pérdida de caudal debido alas curvas del líquido dentro de la bomba.

� Capacidad: Caudal verdadero que produce labomba y es igual al caudal de desplazamientomenos el caudal de deslizamiento.

� Potencia hidráulica: Es la potencia requerida porla bomba sólo para elevar el líquido

� Potencia absorbida ó alfreno: Es igual a lapotencia hidráulica + la potencia consumida paravencer rozamientos.

� En una instalación de bombeo que está formadapor dos bombas iguales asociadas en paralelo sebombea agua a un depósito superior que seencuentra a una altura geométrica Zc=63 m.

� Cada bomba cuenta con su propia aspiraciónde característica resistente H=K1 Q² y conuna carga o altura positiva de Zb =3 m sobreel depósito de aspiración; las impulsiones delas dos bombas están conectadas a unamisma conducción cuya característicaresistente nos viene dada por H=K2 Q².

� Cuando funcionan separadamente, vemosque cada bomba nos impulsa un caudalQ=1250 (l/min) con una presión manométricaH=10 (kg/cm²), pero cuando estánfuncionando en paralelo el caudal totalbombeado es Q=1800 (l/min) y la presión deH=13 (kg/cm²).

�a) Indicar razonadamente por qué dan uncaudal más pequeño cuando funcionan enparalelo?.

�b).- Determinar las característicasresistentes de la tubería de aspiración yde la de impulsión.

�Datos:

�Altura geométrica:

� Asumo que Za= 0m

� Zb= 3m Zc=63m

� Bombas trabajando Separadamente:

�Q1=1250l/min = 20.83 l/s

� H1= 10 Kg/cm2 = 100 mca

� Bombas en Paralelo:

�Q2= 1800 l/min = 30 l/s

� H2= 13 Kg/cm2 = 130 mca

� El término en Q de la curva Hb seacostumbra a suprimirse en base a querepresenta la parte ascendente de la gráficalejos de los puntos de funcionamientorecomendados para la bomba siendo F = 0,con lo que la ecuación se resumiría a:

Sistema de 2 ecuaciones y dos incógnitas, que es posible resolver:

� Resolviendo las ecuaciones, tenemos que:

� Sustituyendo en la ecuación de Altura enfunción del caudal tenemos:

� Curva resistente del Sistema:

�Corresponde a la suma de la alturageométrica del sistema y las pérdidasgeneradas en los procesos de Aspiración eImpulsión.

�De acuerdo con la informaciónproporcionada por el fabricante, elcoeficiente de pérdidas por aspiración esK1=0.070843259 y el coeficiente depérdidas por impulsión esK2=0.014404741

� Pérdidas en proceso de Aspiración:

� Hfa=Ka.Q2=0.070843259Q2

� Pérdidas en proceso de Impulsión:

� Hfi=Ka.Q2=0.014404741Q2

� De aquí que Hr:

�Hr= (63-0)+0.070843259Q2+0.014404741Q2

�Hr = 63 + 0.0852480 Q2

� En base a las ecuaciones generadas,despejamos el caudal que genera una bombaen base a su altura de tal forma que:

� Considerando que el sistema funciona condos bombas acopladas en paralelo, el caudalse duplica.

� Con base en estas ecuaciones, se puedegenerar una tabla de datos y graficar lascurvas características de la bomba.

� �162.292 �

0.143522

� Se da valores de Hb a partir de 162.292 m a 0m.

� Con el caudal generado por el trabajo de unabomba, se obtienen las alturas para la curvaresistiva.

� Bombas trabajando Separadamente:

� Q1=1250l/min = 20.83 l/s

� H1= 10 Kg/cm2 = 100 mca

b)

� Bombas en Paralelo:

�Q2= 1800 l/min = 30 l/s

� H2= 13 Kg/cm2 = 130 mca

�Despejando de las ecuaciones:

�Kaspiración= K1= 0.070843259

�Kimpulsión= K2= 0.014404741

� Trabajando con las ecuaciones obtenidas alagregar una línea de tendencia a las curvasde bombas:

Y=Y

-0.1435Q2+162.29=4E-16Q2+0.0852Q+63

-0.1435Q2-0.0852Q+99.29=0

Q=26.009 l/s

Y=Y

-0.0359Q2+162.29=4E-16Q2+0.0852Q+63

-0.0359Q2-0.0852Q+99.29=0

Q=51.42 l/s

a) Caudal por dos bombas iguales funcionando enparalelo Q"=51.42L/s

b) El caudal de una sola bomba es Q' = 26.09 L/s.

Diremos entonces que cuando trabajan en paralelodan un caudal superior que si trabajaran aisladaspor el efecto de las pérdidas que provoca elsistema resistente (curva de resistencia delsistema).

� Las bombas de fábricas textiles manejancolorantes, agua, sulfuros de carbono, ácidos,sosa cáustica, sosa comercial, acetatos,solventes, decolorantes, alcoholes, sales,peróxidos de hidrógeno, sales, engomado ybutano.

� Se usan muchas bombas de medición ydosificación en las aplicaciones textiles paramanejar las soluciones de decolorantes,control de pH del agua de lavado de las fibrassintéticas, control de color en el teñido,carbonización de la lana, etc.

� Las principales aplicaciones dentro de la industriasiderúrgica son: enfriamiento de molinos,enfriamiento de hornos, servicios de suministro deagua, remoción de escoria en los lingotes, etc.

� El proceso de remoción de escoria mediante elimpacto de un chorro de agua, requiere bombascon presiones superiores a las 1,800 lb/plg2 .

� Debido a que la industria siderúrgica tiene procesoscontinuos se requieren más bombas duraderas locual obliga al fabricante a usar materiales de altaresistencia.

� Los fluidos que se manejan para refrigeraciónson salmueras, agua, freones, amoniaco,etano, propano, etc. El manejo de los mismosrequiere construcciones especiales.

� Las bombas de salmuera están construidastotalmente de hierro, si manejan salmuera decloruro de calcio y totalmente de bronce siestá es de cloruro de sodio. Las bombas quetrabajan esa salmuera a baja temperaturageneralmente están aisladas con corchogranulado.

�Debido a que su consumo ha aumentadotremendamente, se necesita bombearlo através de grandes distancias. Desde los pozos elgas llega por bombeo a las plantas de absorcióndonde es tratado a fin de separar impurezastales como ácidos sulfhídrico, bióxido decarbono, y substancias condensables,obteniéndose el gas seco.

� Para bombear el gas emplean motores de gasprovistos de pistones reciprocantes quetrabajan en ángulo recto o a 180º

� Las bombas que manejan aguas residualestanto en pequeños sistemas industriales comoen los grandes de bombeo de ARD, son bombascentrífugas con impulsores de flujo mixto o deflujo axial que pueden manejar gastoselevados con presiones moderadas.

� El desalojo de ARD se puede efectuar porgravedad o bombeo. La ventaja de esteprocedimiento reside en que no ocasionacostos altos de mantenimiento, aunque loscostos de construcción suelen ser elevados.

� Generalmente las bombas para el manejo dealimentos o “bombas sanitarias” como también selas conoce, deben tener características especialesque no son necesarias en otros tipos de servicio.

� Las bombas generalmente están hechas de aceroinoxidable, monel, aluminio, hierro, cristal,porcelana u otras aleaciones especiales, lastuberías y accesorios son de acero inoxidable,aleaciones de níquel, hule duro, cristal o plástico.

� Dichas bombas suelen ser centrífugas, rotatorias oreciprocantes y se fabrican en una gran variedad detipos, según el fluido a manejar.

� Para esta aplicación específica, las bombassanitarias deben reunir las característicassiguientes:

a) Gran resistencia a la corrosión.

b) No deben producir espuma o triturar los alimentos.

c) Deben ser fáciles de limpiar interiormente

d) Poseer un sistema de lubricación totalmente estanco.

e) Tener el meno número de partes que se desgastendurante su funcionamiento.

f) Sus empaques deben estar totalmente sellados del ladointerior de la carcaza

g) Las superficies interiores de las carcazas deben sertersas y sin esquinas.

� La industria farmacéutica, es una de las quetienen los más altos índices de crecimiento.Para sus procesos utiliza gran variedad debombas las que incluyen bombas de vacío,comprensoras, bombas para substanciasquímicas, agua tratada, vapores, gaseslicuados, etc.

� La industria química es la que presenta problemasde bombeo más complejos y la que requierebombas para manejar substancias de diferentenaturaleza.

� Las materias primas en estado líquidogeneralmente son abastecidas en carros tanque dedonde deben bombearse a través de las diferentespartes del sistema de tubería. Dichos líquidostienen distinta composición química.

� Existen diseños especiales para bombear metalesfundidos y para manejar substancias con sólidos ensuspensión, tales como pulpas químicas, residuosde cinc, dolomita, bauxita, etc.

� Estas manejan una gran variedad de ácidos,jugos de fruta, leche, etc.

� El cristal resiste todos los ácidos ycompuestos químicos, excepto el ácidofluorhídrico y el ácido fosfórico glacial. Lasbombas de cristal no se recomiendan paramanejar soluciones alcalinas.

�Debe analizar todas las posibles aplicacionesde las bombas para las diferentessubstancias.

� Las bombas que se usan en la industriapetrolera se dividen en 8 grupos:perforación, producción, transporte,refinería, fracturación, pozos submarinos,portátiles y de dosificación.

� En perforación, se usan las llamadas bombasde lodo, como la que se muestra en la figura221. Estas bombas son casi siempre del tiporeciprocante. Deben desarrollar presionesaltas a veces, superiores a los 200 kg/cm2. Ellodo de perforación que manejan estasbombas pesa entre 2 y 20 kg/litro.

� En producción se usan cuatro tipos de sistemas debombeo para extraer el crudo de los pozos deproducción y descargarlo a nivel del suelo:sistema de cilindro de succión, sistema hidráulico,sistema sumergible y sistema de elevación porgas. Hay algunos pozos que no necesitan bombeoya que es suficiente la presión del crudo.

� El transporte de líquidos en la industria petrolerase hace a través de miles de kilómetros en elmundo entero, tanto en oleoductos,petróleoductos propiamente dichos y gasoductos.En ciertos casos el ducto puede servir paratransportar diferentes fluidos.

� Las estaciones de bombeo están instaladas aintervalos adecuados, a lo largo del ducto,pues aun en terreno plano, las cargas defricción son grandes y se requieren bombasde alta presión.

�Durante todo el año las bombas de estosoleoductos están expuestas a grandescambios de temperatura.

o Este problema y el de lasgrandes presiones requiere quese usen bombas de diseñosespeciales

HIDRÁULICA DE TUBERÍAS, DE PHD. JUAN SALDARRIAGA.

MECÁNICA DE FLUIDOS. CLAUDIO MATAIX.

APUNTES DE CLASE DE HIDRÁULICA I. PROFESOR: ING. HOLGER

BENAVIDES ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL DE LA UTPL, 2006.

BOMBAS TEORIA, DISEÑO Y ALICACIONES, ING. MANUEL VIEJO

ZUBICARAY, ED. LIMUSA MÉXICO 1996

WEB. USAL. ES /~ TONI DM/ DEI_05_BOMBAS_ COMPRESORES .PDF

WEB: MAVAINSA – DOC. BOMBAS