UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOMAS DE ZAMORA FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS AGRARIAS

CÁTEDRA DE HIDROLOGÍA AGRÍCOLA

APUNTES DE MÁQUINAS ELEVADORAS DE LÍQUIDOS Ing. Jorge BORDIGONI Marzo de 1997.

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MÁQUINAS ELEVADORAS DE LÍQUIDOS : Existen cuatro grupos de máquinas elevadoras de líquidos.

1- Máquinas elevadoras simples. Se eleva agua entregando un trabajo. 2- Máquinas elevadoras por presión directa de otro fluido. 3- Máquinas elevadoras que utilizan la fuerza viva de otro fluido. 4- Máquinas elevadoras que mediante la entrega de un trabajo aspiran e

impulsan un fluido. Bombas.

1- Máquinas elevadoras simples : Son los sistemas más antiguos y los de menor eficacia. En general han caído en desuso. Entre los más comunes encontramos : Balde volcador Trabaja en un pozo abierto y por medio de soga y roldana eleva un balde que vuelca directamente en un bebedero. El baldee se abre por su parte inferior para cargarse nuevamente cuando desciende al pozo. Eleva caudales reducidos, para consumo humano o animal.

Noria o cangilones Constituido por una serie de baldes montados en una cinta sin fin cuya curva inferior se sumerge en el agua y la superior descarga los baldes. En estos tipos de instalación también están en desuso.

-Balde volcador trabajando en un pozo a primera napa.Concarán. San Luis.-

Noria o cangilones

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Noria a rosario Esta noria en lugar de baldes lleva discos de cuero en el sin fin que al pasar por un tubo elevan el agua hasta la salida o boca.

Rueda elevadora Consiste en una gran rueda con baldes y se mueve por la energía del agua en movimiento. (Canal, arroyo, río, etc.).

2- Máquinas elevadoras por presión directa de otro fluido. Sifón De gran utilización en la infraestructura de irrigación, ya sea en canales como aliviaderos, como manera de distribuir agua en las parcelas (en melgas o surcos). Consiste en un tubo de doble rama. En todos los casos es necesario cebarlo para que funcione. Sobre la superficie libre de los depósitos actúa la presión atmosférica p0.

Noria a rosario

Rueda elevadora a baldes

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3-.Máquinas elevadoras que utilizan la fuerza viva de otro flido. Ariete hidráulico. Es una máquina que trabaja por la diferencia de nivel de los líquidos. Es utilizado en zonas de serranías o donde axista un pequeño desnivel o salto. El principio de funcionamiento se basa en la utilización del golpe de ariete producido por el cierre brusco de una válvula. Eleva caudales reducidos. Elementos : consta de un caño de alimentación y uno de rebalse y este último lleva una válvula de rebalse, un pulmón y de él sale el caño de descarga. Alimentación : la caída o salto no debe ser menor de 0,60m. El largo del caño de alimentación debe ser entre 5 y 10 veces la altura del salto. El diámetro debe ser el doble del caño de descarga. Descarga : la altura de la descarga debe ser entre 6 y 12 veces la altura de la caída de agua. Los caudales varían entre 1/7 a 1/24 partes del agua suministrada (el resto se va por la válvula de rebalsr). Funcionamiento : el agua corre por la cañería de alimentación y cuando toma suficiente velocidad cierra bruscamente la válvula de la cañería de rebalse originando un golpe de ariete. Una parte del agua pasa al pulmón venciendo la válvula de retención del mismo. La presión del aire del pulmón, eleva el líquido por la descarga.

4-.Máquinas elevadoras que mediante la entrega de un trabajo aspiran e impulsan un fluido. Bombas. Permite el traslado de grandes volúmenes a considerables distancias y alturas o presiones, lo que las hace insustituibles en instalaciones de riego y en abastecimiento para uso ganadero, entre otros usos. Las bombas las podemos clasificar de la siguiente manera: Émbolo Alternativas Diafragma. Engranajes. Rotativas Eje horizontal o vertical No sumergidas Eyectores Centrífugas Eje vertical Sumergidas Electrobombas.

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FUNDAMENTO DEL FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS La fuerza que impulsa al agua dentro de la tubería de aspiración y de allí al cuerpo de la bomba, es debida a la presión atmosférica p0 cuya altura representativa vale p0/peso específico del líquido. Esta altura deberá ser mayor a: 1- Altura representativa de la presión de vapor saturado a la temperatura que se encuentre el líquido. 2- Altura geométrica de Ha, medido desde el nivel del líquido hasta la parte más alta del cuerpo de la bomba. 3- Pérdidas de carga en la tubería de aspiración. Incluye pérdidas por frotamiento, pérdidas por cambio de dirección, entre otras. 4- pérdidas de carga por presencia de válvulas. Los valores de altura representativa de la presión atmosférica varían con la altura sobre el nivel del mar. Por ejemplo, para cero metros, la presión es de 10,33m.c.a. y para 2.500 metros, la presión será de 7,7 m.c.a. Las alturas representativas de la presión de vapor varían de 0,05 m.c.a. para agua a 5 ºC hasta 10,33 m. con agua a 100 ºC. Por lo visto, la tubería de aspiración se diseñará con el mayor diámetro posible para disminuir al mínimo las pérdidas de carga en la aspiración. La velocidad en el tubo de aspiración se fijará en 1m/seg. En definitiva las condiciones para una buena aspiración será:

p0/γγγγ >>>> ps/γγγγ + Ha + Ja + J válvulas. Concepto de ALTURA MANOMÉTRICA

Las bombas, una vez aspirado el líquido, lo impulsan a una determinada altura o le confieren una determinada presión de trabajo. En la impulsión las resistencias totales a vencer son: 1- Altura geométrica a vencer Ha. 2- Pérdidas de carga contínuas. }Pérdidas en la impulsión 3- Pérdidas de carga localizadas

La sumatoria total de las alturas a vencer por la bomba, tanto en la aspiración como en la impulsión, se llama ALTURA MANOMÉTRICA y será igual a la sumatoria de las alturas geométricas de aspiración e impulsión más las pérdidas de carga en la aspiración y la impulsión. Hman= Ha + ja + Hi + ji

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Bombas alternativas: El Molino. La elevación del líquido se realiza mediante el movimiento de un émbolo que se mueve con movimiento alternativo. En general son dispositivos que permiten extraer caudales no demasiado importantes y en el caso del molino de viento su uso es exclusivamente ganadero. Componentes: Consta de 3 partes fundamentales que son

• Rueda y Máquina. • Torre • Cilindro

La rueda está compuesta por aspas, que constituyen la superficie efectiva de captación de la energía del viento. La rueda comunica su movimiento a la máquina transformando el movimiento rotativo en alternativo. La estructura que soporta al molino y que le da altura es la torre.

Finalmente tenemos el cilindro que es la bomba propiamente dicha con los componentes que se pueden ver en la figura respectiva.

Las bombas de émbolo requieren mucho mantenimiento ya que tiene muchas partes móviles, además de tener una carrera “muerta” que es la de aspiración. Para evitar esto se pueden utilizar bombas alternativas de doble efecto.

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Los rendimientos y características de los molinos se pueden apreciar en la siguiente tabla: Caudales aproximados y diámetros de caños, cilindro y varilla en molinos. Altura de la eón

Rueda de 6 pies Rueda de 8 pies Rueda de 10 pies Rueda de 12 pies Rueda de 14 pies Rueda de 16 pies

eleva-ción

Cil. Caño Var. Caudal Cil. Caño Var. Caudal Cil. Caño Var. Caudal Cil. Caño Var. Caudal Cil. Caño Var. Caudal Cil. Caño Var. Caudal

5 3 ¼ 1 ½ 1/2 1200 5 2 ½ 1/2 4000 6 3 5/8 6000

10 3 1 ½ 1/2 800 4 2 1/2 2600 5 2 ½ 5/8 4200 6 3 5/8 6300

15 2 ½ 1 ¼ 1/2 500 3 ½ 1 ½ 1/2 1700 4 2 1/2 2600 4 ½ 2 1/2 3500 5 2 ½ 1/2 4800

20 3 1 ½ 3/8 1400 3 ½ 2 1/2 1900 4 2 1/2 2800 4 ½ 2 1/2 3700

30 2 ¾ 1 ¼ 3/8 1200 3 ¼ 1 ½ 3/8 1700 3 ½ 2 1/2 2100 4 2 1/2 2900

40 2 ½ 1 ¼ 3/8 1000 3 1 ½ 3/8 1400 3 ¼ 1 ½ 3/8 1800 3 ¾ 2 1/2 2600 4 2 1/2 3200

50 2 ¼ 1 ¼ 3/8 800 2 ¾ 1 ¼ 3/8 1200 3 1 ½ 3/8 1500 3 ½ 2 3/8 2200 4 2 1/2 2900

60 2 ½ 1 ¼ 3/8 1000 2 ¾ 1 ½ 3/8 1300 3 ¼ 1 ½ 3/8 1900 3 ¾ 2 1/2 2600

70 2 ½ 1 ¼ 3/8 1100 3 1 ½ 3/8 1600 3 ½ 2 1/2 2200

80 2 ¼ 1 ¼ 3/8 900 2 ¾ 1 ½ 3/8 1300 3 ¼ 1 ½ 3/8 1900

100 2 ¾ 1 ½ 3/8 1400

Bombas a diafragma. Su funcionamiento se debe a un diafragma de goma accionado por un sistema biela-manivela. Sus características pueden verse en la figura siguiente. Rendimiento y características de las bombas a diafragma:

MODELO 1 2 3 4 Rendimiento horario 1300 l 2200 l 4500 l 6800 l Elevación 13 m 12 m 10 m 8 m Caño aspiración 1” 1” 2” 2,5” Caño elevación 0,75” 1” 1,5” 2” Velocidad máxima 180 rpm 180 rpm 160 rpm 160 rpm HP requeridos 1/4 1/3 3/4 1,5

BOMBAS ROTATIVAS. Dentro de las rotativas veremos solo las bombas centrífugas.

Bombas centrífugas.

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Son empleadas para elevación de grandes volúmenes de agua y pueden acoplarse tanto a motores eléctricos como térmicos. Estas bombas admiten un régimen de giro elevado. Estas bombas solo tienen como parte móvil un elemento fundamental denominado rotor que como su nombre lo indica, gira a alta velocidad originando una fuerza centrífuga que impulsa el líquido a presión. Ese rotor gira dentro del cuerpo de la bomba que según su forma puede ser en caracol o tipo turbina.

Cuando es en caracol el impulsor está ubicado en el cuerpo de una bomba en forma de espiral y es característico de las bombas centrífugas no sumergidas. Dentro de las no sumergidas existe un tipo de bomba cuya altura de aspiración puede superar la altura representativa de la presión atmosférica; es decir que pueden ubicarse en superficie para extracción de agua desde una napa profunda (más de 10,33m teórico desde la superficie). Estas bombas son la bombas de eyectores, cuyas características se muestran a continuación.

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Rendimiento de bombas de eyector con eyector de doble caño (l/hr) Potencia Requeri- da

Diámetro Perfora- ción

Diámetro Caños al

Profundidad de aspiración

Profun-didad de eleva-ción

HP eyector 10 15 20 25 30 35 máxima

0,5-1 4” 1 ¼-1 ½” 1.900 1.300 800 - - - 10 1,5 4” 1 ¼-1 ½” 3.500 3.400 2.100 1.600 1.100 - 15 2 4” 1 ¼-1 ½” 4.700 4.200 2.600 1.800 1.250 - 10 3 5” 1 ½-2” 6.000 5.000 3.600 2.700 1.800 - 15 3 6” 2-2 ½ 9.000 7.000 4.700 4.000 2.800 - 15

5,5 6” 2-2 ½ 13.500 9.500 7.000 5.500 4.000 2.500 20 7,5 6” 2-2 ½ 17.500 12.500 9.700 8.000 6.000 4.000 25 7,5 8” 2 ½-3” 23.000 17.500 13.500 9.800 7.700 6.000 25 12 8” 2 ½-3” 31.500 22.000 16.500 13.500 11.000 8.800 35

Las bombas sumergidas son del tipo de turbina en donde los impulsores están rodeados por álabes difusores. Tienen por particularidad adaptarse a napas muy profundas, elevando grandes caudales a gran altura. Es decir son bombas especialmente adaptadas a instalaciones de riego ya que pueden extraer agua de pozos muy profundos ya que los cuerpos de la bomba están sumergidos en el agua de la perforación. Los cuerpos de la bomba se denominan rotores y en el caso de este tipo de bombas son en general de rotores múltiples.

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Características y rendimiento de Bombas tubulares

Diámetro interior mínimo del encamisado

(pulg.)

Régimen (r.p.m.)

Caudal (m3/hr)

4 2800 5-20 6 1400-2000 5-25 6 1750-3450 10-75 8 1400-2000 30-130 8 1400-2900 70-180 10 1400-2000 120-300 12 1400-1800 200-400

12-14 1400-1800 350-550 16-18 1200-1500 400-800

Cálculo de la Potencia al eje de la bomba. Para el cálculo de la potencia se utiliza la expresión:

CV

Q Hm= ⋅ ⋅⋅

γη75

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donde: Q caudal en metros cúbicos/segundo Hm altura manométrica en metros. γ peso específico en kg por metro cúbico. 75 factor de conversión a caballos vapor. η rendimiento de la bomba. Por otra parte las bombas centrífugas, responden a la siguiente relación entre caudal, altura manométrica, potencia absorbida y el número de revoluciones por minuto (r.p.m.).

QQ

nn1 1

=

HmHm

nn

2

12

2

12=

NN

nn

3

13

3

13=

Caudal Altura manométrica Potencia. Para la elección de una bomba centrífuga recurrimos a las curvas características que provienen de los ensayos de las mismas y que grafican en general la relación entre la altura manométrica a vencer, el caudal a transportar y el rendimiento de la bomba. Obviamente la elección será por aquella bomba que venza la altura de carga requerida en el proyecto, que transporte el caudal de diseño y lo haga con la eficiencia más alta ; lo que permitirá utilizar la menor potencia posible. Un ejemplo de curvas características de las bombas centrífugas podemos observarlas en las siguientes figuras.