tema iii maquinaria de transporte de...

Maquinaria y Equipos en Ingeniería Química

María Elena Tovar Moya

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Tema III

MAQUINARIA DE TRANSPORTE DE FLUIDOS INCOMPRESIBLES

OBJETIVO GENERAL

UNIDADES DE COMPETENCIA DE APRENDIZAJE

CONTENIDO TEMATICO

3.1 Introducción

3.2 Parámetros implicados en la selección de una bomba

3.3 Clasificación

3.4 Características de operación

3.5 Datos de los fabricantes de bombas centrifugas

3.6 Efecto de la viscosidad

3.7 Selección de bombas

3.8 Leyes de afinidad para bombas centrifugas

3.9 Consideraciones a tomar en cuenta

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA

1. FRANQUINI B. Joseph / FINCMORE E. John. Mecánica de Fluidos con

Aplicaciones en Ingeniería. McGraw – Hill, España 1997

2. TYLERG Hicks. BME, Bombas, su Elección y aplicación. Compañía editorial

Continental, S.A., México. 1979.

3. CISNEROS MARTINES Luis. Manual de Bombas. Blume. Barcelona; España,

1977.

4. KARASSIK IGOR I. CARTER ROY. Bombas Centrífugas, Continental, S.A.

México. México 1978

5. MENAUGHTON KENNETCH. Bombas: Selección y Mantenimiento. McGraw –

Hill. Méxido 1890.

6. ROBERT L. MOTT, Mecánica de fluidos, Ed. Prentice Hall

Proporcionar al estudiante de Ing. Química criterios teóricos y prácticos para la

selección de aparatos y máquinas de transporte de fluidos incompresibles.

Capacidad de identificar los diferentes tipos de bombas.

Habilidad de utilizar manuales y gráficas especiales para hallar las

especificaciones necesarias para una determinada bomba.

Seleccionar y caracteriza el tipo de bomba adecuada para una aplicación específica.



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3.1 INTRODUCCION

En la industria, en general y especialmente en la industria química en particular la

existencia de bombas es muy frecuente, ya sea para impulsar las materias primas o

entre procesos o finalmente el producto acabado

“La bomba es una máquina que absorbe energía mecánica que puede provenir de un

motor eléctrico, térmico, etc. y la transforma en energía que la transfiere a un fluido en

forma de presión o de velocidad y que permite trasladar el fluido de un lugar a otro, a

un mismo nivel y/o a diferentes niveles.” (Karassik Igor)

Las bombas son de gran importancia en el trasporte de fluidos, debido a su capacidad

de producir vacío, con lo cual se puede empujar el fluido hacia donde se desee

transportar. La bombas se emplean para bombear toda clase de líquidos, (agua, aceites

de lubricación, combustibles ácidos, líquidos alimenticios, cerveza, leche, etc.), éste

grupo constituyen el grupo importante de las bombas sanitaria. También se emplean las

bombas para bombear los líquidos espesos con sólidos en suspensión, como pastas de

papel, melazas, fangos, desperdicios, etc.

Existe una infinidad de bombas las cuales tienen distintas funciones, todo depende del

tipo de fluido de la temperatura a la cual se va a transportar y la presión que se

soportará. Una gran variedad de bombas se encuentran disponibles para transportar

fluidos en el comercio. La selección y aplicación de las bombas requiere una

comprensión de sus características de funcionamiento, conocimiento de los tipos de

bombas y usos típicos

Seleccionar bombas es el paso más importante en cualquier instalación de fluidos. Si la

bomba no se ajusta apropiadamente al sistema, éste puede experimentar un aumento de

los costos de operación y mantenimiento. Las bombas se archivan en los catálogos y se

pueden visualizar los equipos registrados en cada catálogo con sus respectivas curvas.

3.2 PARAMETROS IMPLICADOS EN LA SELECCIÓN DE UNA BOMBA

Cuando se selecciona una bomba para una aplicación particular, se debe considerar los

siguientes factores:

Naturaleza del líquido a bombear (condiciones de bombeo, propiedades del

fluido, temperatura, densidad, viscosidad)

Capacidad requerida (velocidad de flujo de volumen)

Condiciones de succión (Entrada: longitud, diámetro, perdidas por fricción)



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Condiciones de descarga (salida)

Altura de carga o cabeza total

Tipo de servicio (continuo, discontinuo)

Tipo de fuente de alimentación (motor)

Limitaciones de espacio, peso y posición

Condiciones ambientales

Costo, códigos y estándares que rigen a las bomba

Después de la selección de la bomba, se debe especificar las características, tales como:

Tipo d bomba

Tamaño de la bomba

Tamaño de la conexión de la succión y de descarga

Velocidad de operación

Especificaciones de la alimentación (p.e. motor eléctrico, voltaje, potencia,

frecuencia)

Otras características: materiales y accesorios

3.3 CLASIFICACION



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3.3.1 Bomba centrífuga

Una bomba centrífuga es una máquina que consiste en un conjunto de paletas rotatorias

encerradas dentro de una caja o cárter; o una cubierta o carcasa. Las paletas imparten

energía al fluido por la fuerza centrífuga.

Uno de los factores más importantes que contribuyen al creciente uso de bombas

centrífugas ha sido el desarrollo universal de la fuerza eléctrica.

Las bombas centrífugas que fundamentalmente son máquinas de gran velocidad en

comparación con las de movimiento alternativo, rotativas o de desplazamiento. Funciona a

altas velocidades, acopladas directamente al motor de accionamiento, con lo que consigue

que las pérdidas por transmisión sean mínimas.

3.3.2 Descripción de las Bombas Centrífugas y de Flujo Axial:

El elemento rotativo de una bomba centrífuga se denomina impulsor. La forma del

impulsor puede forzar al agua a salir en un plano perpendicular a su eje (flujo radial); puede

dar al agua una velocidad con componentes tanto axial como radial (flujo mixto) o puede

inducir un flujo en espiral en cilindros coaxiales según la dirección del eje (flujo axial).

Normalmente, a las máquinas con flujo radial o mixto se les denomina bombas centrífugas,

mientras a las de flujo axial se las llama bombas de flujo axial o bombas de hélice. Los

impulsores de las bombas radiales y de las mixtas pueden abiertos o cerrados. Los

impulsores abiertos consisten en un eje al cual están unidos los álabes, mientras que los

impulsores cerrados tienen láminas (o cubiertas) a cada lado de los álabes.

Las bombas de flujo radial tienen una envolvente helicoidal, que se denomina voluta, que

quía el flujo desde el impulsor hasta el tubo de descarga. El incremento de la sección

transversal a lo largo de la envolvente tiende a mantener constante la velocidad en su

interior.

Las bombas de flujo axial suelen tener solo dos o cuatro palas, por lo que tienen grandes

conductos sin obstáculos, que permiten trabajar con agua que contengan elementos sólidos

sin que se produzca atascos. Los álabes de algunas bombas axiales grandes son ajustables

para permitir fijar la inclinación que dé el mejor rendimiento bajo condiciones reales.

3.3.3 Bombas de engranajes

Son aquellas que constan de dos o más ruedas dentadas de igual diámetro que se engranan

alojadas en una carcasa. Impulsan al líquido confinándolo entre los dientes de las ruedas y

las paredes de la carcasa.

Los dos tipos principales son las bombas de engranajes internos y externos.



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Fig. 3.1. Bombas de engranaje externo dibujo obtenido de la compañía Roper Pump

Company

3.3.4 Bomba de lóbulos

Son semejantes a las bombas de engranajes, los lóbulos cumplen la misma misión el diseño

original de las bombas lobulares surge hace 40 años y desde entonces se han producido

diferentes desarrollos y mejoras. Las bombas lobulares son fáciles de limpiar y se

caracterizan por una suave acción de bombeo. Tienen pocas cavidades, reduciéndose así el

riesgo de crecimiento de bacterias y haciéndolas muy adecuadas para el trasvase de líquidos

sensibles desde colas hasta trozos de fresa.

Las bombas lobulares se usan para servicios continuos en industrias como: alimentación y

bebidas farmacéuticas, química, papeleras, cosmética y otras.

Fig. 3.2. Bomba lobular dibujo obtenido de la compañía Waukesha Cherry -Burrel

3.3.5 Bomba de tornillo

Un rotor metálico helicoidal gira excéntricamente dentro del estator de doble hélice

moldeado en un elastómero duro. En este movimiento se forman cavidades herméticas que

desplazan al fluido en forma suave y continua. Flujo suave y sin pulsaciones. Control de

flujo preciso. Ideal para dosificaciones. Excelente capacidad de autocebado: hasta 8.5m.



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Bajo NPSH requerido. Trabajo en ambos sentidos de rotación. Mantenimiento simple y

económico. Construcción sencilla y robusta en distintos materiales según la aplicación.

Caudales hasta 284 l/s (4500 gpm). Presiones hasta 2100 psi (145 bar). Temperaturas del

fluido hasta 176°C (350°F). Viscosidad del fluido mayor a 1'000,000 centipoises. Caudal

proporcional a la velocidad. Manejo de sólidos de hasta 7 cm (2.8") de diámetro.

Aplicaciones en bombeo de alimentos y bebidas, Industria farmacéutica, Agroindustria,

Tratamiento de aguas y lodos residuales. Industria petroquímica, minera, de la

construcción, cerámica. Bombeo de pulpa de papel. Químicas y pinturas. Industria pesquera

Fig. 3.3 Bomba de Tornillo o Cavidad Preogresiva dibujo obtenido de la compañía

Moyno Pumps

3.3.6 Bombas de paleta deslizante

Consiste en un rotor excéntrico que contiene un juego de paletas deslizantes que se mueven

dentro de la estructura. Un anillo de álabe en la estructura controla la posición radial de las

paletas. El fluido ingresa al puerto de succión a la izquierda, y después se captura en un

espacio entre dos paletas consecutivas y es así transportado al puerto de descarga en el

sistema de presión. Las paletas posteriormente se retraen en sus ranuras en el rotor

conforme viajan de regreso al lado de entrada o de succión de la bomba.



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Fig. 3.4 Bomba de paleta deslizante dibujo obtenido de la compañía MPC Pumps

3.4 CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN -

Las bombas centrífugas son las más demandadas en el comercio, por lo tanto es importante

considerar el uso de las curvas de operación de estas bombas

Fig. 3.5 Curvas de funcionamiento para una bomba centrífuga

3.4.1 Altura o cabeza total desarrollada por una Bomba:

La altura o cabeza total desarrollada por una bomba se determina midiendo la presión en la

aspiración y en la salida de la bomba, calculando las velocidades mediante la división del

caudal de salida entre las respectivas áreas de las secciones transversales y teniendo en



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cuenta la diferencia de altura entre la aspiración y la descarga. Este valor se calcula de la

ecuación general de la energía, en función al sistema real en el que se requiere realizar el

transporte del fluido.

La eficiencia y potencia que se requieren son factores importantes en el buen

funcionamiento de una bomba. (Figura 5)

3.5 DATOS DE LOS FABRICANTES DE BOMBAS CENTRIFUGAS

3.5.1 Efecto del tamaño del impulsor: Los fabricantes de bombas ofertan bombas de

diferentes diámetros de impulsor y velocidades que permiten una variedad de

requerimientos de capacidad y cabeza total. En la Figura 6 se muestra un diagrama que

muestra el efecto del tamaño del impulsor.

Fig. 3.6 Valores compuestos para una línea de bombas centrífugas (Fuente: Robert

Mott)

3.5.2 Efecto de la velocidad: Si se analizan gráficas de funcionamiento de bombas

operando con velocidades de impulsor diferentes (p.e 1750 rpm y 3500 rpm), se apreciará

que tanto las cabezas totales como las capacidades se incrementan a velocidades de

impulsores mayores.

3.5.3 Rendimiento de las Bombas:

Cuando un líquido fluye a través de una bomba, sólo parte de la energía comunicada por el

eje del impulsor es transferida el fluido. Existe fricción en los cojinetes y juntas, no todo el

líquido que atraviesa la bomba recibe de forma efectiva la acción del impulsor, y existe una

perdida de energía importante debido a la fricción del fluido. Ésta pérdida tiene varias

componentes, incluyendo las pérdidas por choque a la entrada del impulsor, la fricción por

el paso del fluido a través del espacio existente entre las palas o álabes y las pérdidas de



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alturas al salir el fluido del impulsor. El rendimiento de una bomba es bastante sensible a

las condiciones bajo las cuales esté operando.

3.5.4 Potencia requerida y Eficiencia

La eficiencia de un equipo es la relación entre la energía que produce y lo que cuesta

producirla. Es un indicador de que tan eficiente es el equipo convirtiendo energía. En el

caso de una bomba se produce energía hidráulica suministrando energía mecánica para su

accionamiento, el proceso de transferencia de energía no es ideal ya que existen las

llamadas perdidas de energía ya sean hidráulicas, mecánicas o eléctricas.

η = Ph/Pm (3.1)

Ph = γ*Q*H (3.2)

Para una bomba

Ph = Potencia hidráulica

Pm = Potencia mecánica o potencia al freno.

γ= Peso específico

Q = caudal

H = altura dinámica total

Fig. 3.7 Funcionamiento de una bomba centrífuga de 2x3-10 a 3500 rpm (Robert

Mott)

La figura 3.7 nuestra el funcionamiento compuesto de la bomba centrífuga 2x3-10 a

3500rpm, de la misma forma existen en catálogos de bombas, gráficas de bombas de



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tamaños diferentes y a distintas velocidades, que permiten ver parámetros importantes al

mismo tiempo.

3.5.5 Cabeza de succión positiva neta requerida

Además de los parámetros mencionados (H,P,e), se debe considerar que la entrada o

sistema de succión debe ser capaz de proporcionar a la bomba un flujo parejo del líquido a

una presión suficientemente alta para evitar la formación de burbujas en el fluido, por lo

que la P de succión a la entrada sea mayor a la P a la que se presentaría la vaporización. De

lo contrario, si la P de succión es menor se presenta cavitación dentro la bomba es decir

existirá una mezcla de vapor y líquido.

Cavitación en las Bombas

Un factor importante para el funcionamiento satisfactorio de una bomba es evitar la

cavitación, tanto para obtener un buen rendimiento como para evitar daños en el impulsor.

Cuando un líquido pasa por el impulsor de una bomba, se produce un cambio de presión. Si

la presión absoluta de un líquido cae por debajo de s presión de vapor, se producirá

cavitación. Las zonas de vaporización obstruyen el flujo limitando la capacidad de la

bomba. Cuando el fluido avanza a una zona de mayor presión, las burbujas colapsan y su

implosión puede producir un picado del impulsor la cavitación suele producirse con más

frecuencia cerca de la salida (periferia) de los impulsores de flujo radial y mixto, donde se

alcanzan las velocidades mayores. También puede aparecer en la aspiración del impulsor,

donde las presiones son menores. En el caso de las bombas de flujo axial, l parte mas

vulnerable a la cavitación es el extremo de los álabes.

Para las bombas se define el parámetro de cavitación como para evitar que se produzca

cavitación, la bomba debe funcionar de manera que s sea mayor que s c. Esto puede

conseguirse seleccionando el tipo, tamaño de bomba y la velocidad de funcionamiento

adecuados, y situando la bomba en el punto y a la elevación correcta dentro del sistema.

La cavitación de la bomba se nota cuando hay uno o más de las siguientes señales: ruido,

vibración, caída en la curva de capacidad de carga y eficiencia, con el paso del tiempo, por

los daños en el impulsor por picaduras y erosión. Como todas estas señales son inexactas,

se hizo necesario aplicar ciertas reglas básicas para establecer cierta uniformidad en la

detección de la cavitación.

NPSH se encuentra en función de la naturaleza del fluido, la tubería de succión, la

ubicación del depósito y la presión aplicada.

NPSHDISPONIBLE > NPSHREQUERIDO



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vpfssp hhhhNPSH (unidades de longitud) (3.3)

Donde:

hsp; presión estática absoluta aplicada sobre el líquido en el depósito, expresada en longitud

hs; diferencia de elevación entre la superficie del líquido y la entrada de la bomba,

expresada en longitud

hf; pérdida de carga en la línea de succión, expresada en longitud

hvp; carga de presión de vapor del líquido a la temperatura del depósito, expresada en

longitud

NPSH (Requerido)

El NPSHR es un factor importante a considerar en la aplicación de una bomba, se relaciona

con la presión de la entrada de la bomba. Es la presión absoluta mínima en el oído del

impulsor que garantiza un flujo sano en el interior de la bomba. Es un dato básico

característico de cada tipo de bomba, variable según el modelo y tamaño y condiciones de

servicio, por tanto es un dato que facilitan los fabricantes.

NPSH (Disponible)

Presión absoluta total en el oído del impulsor como resultado final de la aspiración

especifica de las condiciones de la instalación. Es función de la instalación e independiente

del tipo de bomba.

Las soluciones como ya hemos indicado solamente pueden conseguirse aumentando el

NPSHD y por tanto, podemos adoptar cualquiera de las siguientes:

•Aumento del diámetro de la tubería de aspiración.

•En bombas verticales aumentar la sumergencia.

• Disminuir la altura geométrica de aspiración.

• Cambio a una bomba mayor a menor velocidad, etc.

El conocimiento del NPSHD por el instalador es fundamental para la elección adecuada de

la bomba y evitar así posibles fracasos.

3.6 EFECTO DE LA VISCOSIDAD

Las bombas centrífugas también se utilizan para bombear líquidos con viscosidades

diferentes a las del agua. Al aumentar la viscosidad, la curva altura caudal se hace mas

vertical y que la potencia requerida aumenta. La línea discontinua indica los puntos de



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máximos rendimiento para cada curva. Se observa que tanto la altura como el caudal

disminuyen en el punto de máximo rendimiento.

Dos de las principales pérdidas en una bomba centrífuga son por fricción con el fluido y

fricción con el disco. Estas perdidas varían con la viscosidad del líquido de manera que la

carga – capacidad de salida, así como de la toma mecánica difiere de los valores que se

obtienen cuando se maneja agua.

Es necesario, sin embargo, recordar las tres unidades diferentes que pueden encontrarse

para describir la viscosidad de un líquido en especial:

Segundos Saybolt Universal, o SSU

Centistokes – que define la viscosidad cinemática.

Centiposes – que definen la viscosidad absoluta.

Se han hecho muchas pruebas experimentales para determinar el efecto de la viscosidad del

líquido en el funcionamiento de diversas bombas centrífugas. Aun con datos muy extensos

sobre el efecto de la viscosidad.

Es difícil predecir con precisión el funcionamiento de una bomba cuando maneje un fluido

que tiene una viscosidad superior a la del agua, los valores de caudal, altura y rendimiento

de la bomba vienen modificados en función de la resistencia a la circulación del fluido.

Para lo cual se cuenta con gráficos que utilizan factores de corrección que deben aplicarse

sobre los valores de la bomba con agua para el bombeo de fluidos viscosos, siendo estos

factores:

CQ=Qv/Qw; CH=Hv/Hw; Cη=ηv/ηw (3.4)



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Fig. 3.8 Factores de corrección para líquidos viscosos manejados por bombas centrífugas

3.7 SELECCIÓN DE BOMBAS



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Al seleccionar bombas para una aplicación dada, tenemos varias bombas entre las que

elegir. Haremos lo posible para seleccionar una bomba que opere con un rendimiento

relativamente alto para las condiciones de funcionamiento dadas.

Fig. 3.9 Gráfica para selección de bombas

3.7.1 Otro parámetro de selección de una bomba



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La velocidad específica Ns, es otro parámetro útil para la selección del tipo de bomba en

una determinada aplicación, ésta está combinada con el diámetro específico, ambos

parámetros definidos como:

;4/3

H

QNN s (3.5)

Q

DHDs

4/1

(3.6)

Donde:

Ns; velocidad específica de succión

N; velocidad el impulsor (RPM)

Q; caudal (GPM)

H; cabeza total de la bomba (pies)

Ds; diámtro específico

D; diámetro del impulsor (pulg)

Fig. 3.10 Velocidad específica versus diámetro específico (Chemical Engineering)

3.8 LEYES DE AFINIDAD PARA BOMBAS CENTRIFUGAS

La mayoría de las bombas centrífugas se operan a velocidades distintas para obtener

capacidades variables. Además, una carcasa de bomba de tamaño dado es susceptible de

dar acomodo a impulsores de diámetros diferentes. Es importante entender la manera en

que varían la capacidad, la carga y la potencia, cuando se modifica la velocidad o el



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diámetro del impulsor. A continuación se presenta una lista de estas relaciones,

denominadas leyes de afinidad. (Robeert Mott)

Cuando la velocidad varía Cuando el diámetro varía

;2

1

2

1

N

N

Q

Q

s

;2

1

2

1

D

D

Q

Q

s

2

2

1

2

1

N

N

H

H

2

2

1

2

1

D

D

H

H

3

2

1

2

1

N

N

P

P

3

2

1

2

1

D

D

P

P

Siendo: Q, caudal, H, cabeza total, P, potencia, D, diámetro del impulsor.

La eficiencia permanece casi constante cuando varía la velocidad y para pequeñas

variaciones del diámetro del impulsor (Davidson, J, citado por Mott)

3.9 CONSIDERACIONES A TOMAR EN CUENTA

Una bomba en condiciones hipotéticamente ideal a nivel del mar podría aspirar a una altura

de 10,33 m, pero con la altura la presión atmosférica disminuye, asi por ejemplo a 3600 m

sobre el nivel del mar se reduce a 6.60 m, como se puede apreciar en la siguiente tabla:

Fig. 3.11 Presión atmosférica en función de la altura sobre el nivel del mar

Para obtener en una instalación la máxima altura de aspiración geométrica, será necesario

reducir al mínimo los parámetros que puedan provocar una disminución del valor de

NPSHd.

Para conseguirlo deberemos cumplir los siguientes requisitos:



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Mantener la temperatura del agua lo más baja posible.

Tubería lo más corta posible.

Con la menor cantidad de uniones y codos posible.

Utilizar contracciones asimétricas, con la parte superior recta hacia arriba.

El diámetro de la tubería no debe ser menor que el diámetro de entrada de la bomba.

Utilizar válvulas de pie en diámetros menores a 400 mm.

Tuberías de aspiración herméticas a la presión atmosférica.

El tramo próximo a la bomba será recto con una longitud mayor a 2 diámetros.

El diámetro de la tubería de aspiración se determinara de acuerdo con la velocidad

permisible: Para diámetro hasta 250 mm velocidad = 0,7 a 1 m/s

Para diámetro desde 300 a 800 mm velocidad = 1 a 1,5 m/s

Para diámetro mayor de 800 mm velocidad = 1,5 a 2 m/s

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