Repblica Bolivariana de Venezuela

REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITCNICAANTONIO JOS DE SUCREVICE-RECTORADO LUIS CABALLERO MEJASLABORATORIO DE INSTALACIONES TERMICAS

BOMBAS Y MOTORES ELECTRICOSBachilleresCaracas, marzo del 2013Introduccin

Para que un fluido fluya de un punto a otro en un ducto cerrado o en una tubera, es necesario contar con una fuerza impulsora. Algunas veces, esta fuerza es la gravedad cuando hay diferencias de nivel. Por lo general, el dispositivo mecnico como una bomba o un ventilador, suministra la energa o la fuerza impulsora que incrementa la energa mecnica del fluido. Esta energa se puede usarse para aumentar la velocidad, la presin o elevacin del fluido, de acuerdo a la ecuacin de Bernoulli que relaciona velocidad con presin, densidad y trabajo. En general, una bomba es una mquina o dispositivo que se usa para mover un lquido incomprensible, por medio de la adicin de energa al mismo. En el presente trabajo se va a tratar con ms profundidad todo lo referente a bombas centrifugas y sus mltiples aplicaciones, de igual forma se hablaran de los motores elctricos utilizados para impulsar dichas bombas centrifugas.Bomba

Clasificacin general de las bombasEn la actualidad se encuentran en uso dos tipos de bombas:

a) Desplazamiento Positivo:

1) Reciprocantes

2) Rotatorias

b) Rotodinmicas (Rotatorias): Centrfugas

Las bombas Reciprocantes de desplazamiento positivo, presentan una frontera mvil (pistn) que fuerza al fluido a travs de cambios de volumen. Se abre una cavidad (cilindro) y el lquido es entonces "comprimido" saliendo de la cavidad por medio de una vlvula de salida.

Todas las bombas de desplazamiento positivo producen un flujo pulstil o peridico. Su mayor ventaja es que pueden manejar cualquier lquido independientemente de su viscosidad.

Bombas Centrfugas Una bomba es una mquina capaz de transformar energa mecnica en hidrulica. Un tipo de bombas son las centrfugas que se caracterizan por llevar a cabo dicha transformacin de energa por medio de un elemento mvil denominado impulsor, rodete o turbina, que gira dentro de otro elemento esttico denominado cuerpo o carcasa de la bomba. Ambos disponen de un orificio anular para la entrada del lquido. Cuando el impulsor gira, comunica al lquido una velocidad y una presin que se aade a la que tena a la entrada.

Propiedades de una Bomba CentrfugaDentro del campo normal de aplicacin, las propiedades de una bomba centrfuga son:

a.- Caudal uniforme, sin pulsaciones.

b.- La presin o altura de elevacin disminuye a medida que aumenta el caudal. En general, a partir del punto de funcionamiento, cuando se cierra la vlvula de regulacin de la tubera de impulsin aumenta la presin y se reduce la potencia. Sin embargo, las bombas de alta velocidad especfica (impulsor semi-axial o hlice) no cumplen esta norma general.

c.- La altura, medida en metros de columna de lquido, a la que eleva una bomba es independiente de la naturaleza del lquido y, por tanto, la altura a la que impele una bomba es la misma, prescindiendo de la influencia que ejerce la viscosidad.

d.- La potencia absorbida por la bomba es proporcional al peso especfico del lquido elevado.

e.- El par requerido para el arranque de una bomba centrfuga es pequeo y la potencia absorbida durante su funcionamiento de rgimen es continua y libre de sobrecargas, cuando la altura no vara y no hay perturbaciones ajenas a la bomba en la aspiracin. Ventajas principales de las bombas centrfugas

Caudal constante

presin uniforme

sencillez de construccin

tamao reducido

bajo mantenimiento

flexibilidad de regulacin.

Desventajas de las bombas centrfugas

Uno de sus pocos inconvenientes es la necesidad de cebado previo al funcionamiento, ya que las bombas centrfugas, al contrario que las de desplazamiento positivo, no son auto aspirantes.

Funcionamiento de las Bombas Centrfugas

Las bombas centrfugas mueven un cierto volumen de lquido entre dos niveles; son pues, mquinas hidrulicas que transforman un trabajo mecnico en otro de tipo hidrulico. Los elementos constructivos de que constan son:

a.- Una tubera de aspiracin, que concluye prcticamente en la brida de aspiracin.

b.- El impulsor o rodete, formado por una serie de labes de diversas formas que giran dentro de una carcasa circular. El rodete va unido solidariamente al eje y es la parte mvil de la bomba. El lquido penetra axialmente por la tubera de aspiracin hasta el centro del rodete, que es accionado por un motor, experimentando un cambio de direccin ms o menos brusco, pasando a radial, (en las centrfugas), o permaneciendo axial, (en las axiales), adquiriendo una aceleracin y absorbiendo un trabajo.

Los labes del rodete someten a las partculas de lquido a un movimiento de rotacin muy rpido, siendo proyectadas hacia el exterior por la fuerza centrfuga, de forma que abandonan el rodete hacia la voluta a gran velocidad, aumentando su presin en el impulsor segn la distancia al eje. La elevacin del lquido se produce por la reaccin entre ste y el rodete sometido al movimiento de rotacin; en la voluta se transforma parte de la energa dinmica adquirida en el rodete, en energa de presin, siendo lanzados los filetes lquidos contra las paredes del cuerpo de bomba y evacuados por la tubera de impulsin.

La carcasa, (voluta), est dispuesta en forma de caracol, de tal manera, que la separacin entre ella y el rodete es mnima en la parte superior; la separacin va aumentando hasta que las partculas lquidas se encuentran frente a la abertura de impulsin; en algunas bombas existe, a la salida del rodete, una directriz de labes que gua el lquido a la salida del impulsor antes de introducirlo en la voluta.

c.- Una tubera de impulsin.- La finalidad de la voluta es la de recoger el lquido a gran velocidad, cambiar la direccin de su movimiento y encaminarle hacia la brida de impulsin de la bomba.

La voluta es tambin un transformador de energa, ya que disminuye la velocidad (transforma parte de la energa dinmica creada en el rodete en energa de presin), aumentando la presin del lquido a medida que el espacio entre el rodete y la carcasa aumenta.

Este es, en general, el funcionamiento de una bomba centrfuga aunque existen distintos tipos y variantes.

La estructura de las bombas centrfugas es anloga a la de las turbinas hidrulicas, salvo que el proceso energtico es inverso; en las turbinas se aprovecha la altura de un salto hidrulico para generar una velocidad de rotacin en la rueda, mientras que en las bombas centrfugas la velocidad comunicada por el rodete al lquido se transforma, en parte, en presin, logrndose as su desplazamiento y posterior elevacin.

Factores de seleccin de las bombas

En la seleccin de bombas hay que tener en cuenta los siguientes factores:

Las propiedades fsicas del lquido, como el peso especfico, tensin de vapor, viscosidad, temperatura, slidos en suspensin, entre otros.

El NPSHd, presin de aspiracin e impulsin de la mquina

Disponibilidades de la planta (agua limpia a temperatura ambiente, agua caliente, vapor a baja presin, inyeccin de fuente externa, metanol).

Tipo y dimensiones de la bomba, velocidad, dimetro del eje y/o camisa del eje, dimetro interior de la cmara del cierre, longitud de la cmara del cierre, distancia entre la cmara del cierre y el primer apoyo, cliente final, lugar de instalacin de la planta, etc. Conceptos Importantes en el manejo de las Bombas Carga: Es la conversin equivalente de presin (en Pa o psi) en columnas de agua (m) a una gravedad especfica igual a 1.00.

Carga Total: La carga total de un sistema contra la cual debe operar una bomba est compuesta de los siguientes componentes:

1. Carga esttica: Se refiere a la diferencia de elevacin. Hay tres tipos de carga esttica:

-Carga esttica total, que es la diferencia entre el nivel del lquido de descarga y el nivel del lquido de succin. - Carga esttica de succin, que es la diferencia entre la lnea del centro de la bomba y el nivel del lquido de succin.

-Carga esttica de descarga, que es la diferencia entre el nivel del lquido de descarga y la lnea del centro de la bomba.

2. Diferencia de presiones que existen en el lquido: como la presin de vapor.

3. Carga de friccin: Es la carga equivalente en metro de lquido bombeado, que es necesaria para vencer las prdidas de friccin causadas por el flujo del lquido a travs de la tubera incluyendo todos los accesorios. Vara con:

- La cantidad de flujo

-El tamao, tipo y condicin de la tubera y accesorios

-El carcter del lquido bombeado

4. Prdidas de entrada y salida: La mayor parte de veces, el lquido bombeado viene de un tanque de alguna forma; el punto de conexin de la tubera de succin a la pared, se llama entrada de la tubera de succin, la prdida por friccin en ese punto se llama prdida de entrada. Del mismo modo existe una prdida de salida en el punto salida de la tubera de descarga.

5. Elevacin correspondiente a la velocidad: Es la energa cintica de un lquido en cualquier punto (Kg.-m /Kg. lquido), si un lquido se est moviendo a cierta velocidad, la elevacin correspondiente a la velocidad es equivalente a la distancia que la masa de agua tendra que caer para adquirir esa velocidad.

- Carga total de succin y elevacin de succin: (hs) Se define como la carga esttica en la lnea de succin de la bomba arriba de la lnea del centro de la bomba menos todas las prdidas de carga por friccin para la capacidad que se considera, ms cualquier presin que exista en el abastecimiento de la succin. La elevacin de succin es la carga total de succin negativa medida abajo de la presin atmosfrica.

- NPSH (carga neta positiva de succin): Es la carga disponible, medida en la abertura de succin de la bomba. Es la carga total de succin menos la presin de vapor del lquido.

Una bomba operando con elevacin de succin manejar un acierta capacidad mxima de agua fra sin cavitacin. La NPSH o cantidad de energa disponible en la boquilla de succin de esa bomba es la presin atmosfrica menos la suma de la elevacin de succin y la presin de vapor del agua. Para manejar esta la misma cantidad se debe disponer de la misma cantidad de energa

Existen dos tipos de NPSH Requerida: Es una funcin del diseo de la bomba, representa un margen mnimo requerido entre la carga de succin y la presin de vapor a una capacidad determinada. Disponible: Es una caracterstica del sistema en el que trabaja una bomba centrfuga, representa la diferencia entre la carga de succin absoluta existente y la presin de vapor a la temperatura dominante.

- Carga de descarga: Es la altura de elevacin medida en la boquilla de la descarga. Es la suma algebraica de la descarga esttica, las prdidas por friccin a la capacidad que se esta considerando, la prdida de la salida en el extremo de la lnea de descarga y la carga ternita o presin.

- Carga Total: Es la energa impartida al lquido por la bomba, es decir, la diferencia entre la carga de descarga y la elevacin de succin.

- Potencia al Freno: Es la potencia requerida para mover la bomba generalmente se determina en caballos de fuerza y se llama potencia al freno B

Curvas Caractersticas de las Bombas Una curva de bombeo es la representacin grfica de una caracterstica especfica del rendimiento de una bomba. Interpretar estas grficas puede ser til, tanto para especificar las bombas para una aplicacin, como para determinar si una bomba que ya ha sido instalada est rindiendo al nivel de su capacidad. Para las aplicaciones de bombeo de agua, las varias curvas que se ilustran son muy similares, simplemente ofreciendo informacin adicional.

Las primeras grficas (figura A y B) muestran ms o menos la misma bomba con motores que tienen distinto nmero de caballos de fuerza. Para seleccionar una bomba, calcule la presin dinmica requerida y el flujo necesario. Trace una lnea desde el punto en el eje vertical Y que muestra la presin requerida paralela al eje horizontal X;

Luego seleccione el flujo necesario y trace una lnea desde ese punto, paralelo al eje verticales decir, el eje Y. La bomba requerida es aquella cuya lnea est por encima del punto de interseccin de esas dos lneas en la grfica. En algunos casos, se aade ms informacin a la grfica. Los fabricantes de bombas a menudo aaden una grfica de eficiencia a la tabla, que satisface los requisitos mnimos, se puede observar dnde queda, en trminos de eficiencia (ver Figura D). Observando las eficiencias, al igual que los flujos de la bomba y las presiones hidrostticas se puede maximizar el rendimiento de bombeo. En el caso de las bombas de superficie, o bombas de refuerzo, se aade otra lnea a la grfica. Esta lnea aparece marcada en la grfica de la Figura C con una flecha y se conoce como el campo NPSH* o de presin neta positiva de succin.

Para que una bomba rinda adecuadamente, debe mantenerse un flujo de agua en el ojo de la bomba. Esto se logra, ya sea sumergiendo la bomba en el agua, o asegurndose de que el agua fluya hacia la bomba en todo momento. El flujo de agua es causado por dos fuerzas: la presin atmosfrica sobre el agua, y la elevacin del agua en s. Si sta alcanza un nivel mnimo, la bomba sufre por falta de agua, y el agua que entra al ojo de la bomba se vaporiza haciendo que la bomba cavite. Cavitacin el desgaste de una superficie de metal como resultado de un vaco parcial en el lquido destruir el impulsor y el armazn de una bomba. La vaporizacin es un producto de la presin reducida y temperatura elevada y es diferente a distintas elevaciones. Temperaturas ms elevadas pueden ocurrir por el movimiento de la bomba o por una temperatura ambiental ms alta, por lo que estos factores deben tambin considerarse al especificar una bomba.

Curva de friccin de un sistemaUna grafica Carga vs. Friccin ser denotada por H q, donde:

H = Carga en m

q = Gasto o caudal en L/s

La curva siempre pasa por el origen de la grafica puesto que si no hay carga desarrollada por la bomba es lgico que no exista flujo en el sistema de tuberas.

Las prdidas de carga por friccin de un sistema de bombeo son una funcin del tamao del tubo, longitud, nmero y tipo de accesorios que lo integran, velocidad del flujo del lquido y desde luego su naturaleza.

Curva de carga del sistema

Esta curva se obtiene al combinar la curva de friccin del sistema con la curva esttica y con cualquier diferencia de presin en el sistema. Si se superpone la curva H q de la bomba sobre la curva de carga del sistema, se obtendr el punto en el cual trabaja la bomba determinada, en el sistema en le cual se ha trazado la curva.

En la fig. el punto A corresponde al funcionamiento de una bomba de una condicin de H-q que acta sobre un sistema con una curva de carga determinada si al mismo sistema se agrega friccin, es decir mediante el cierre parcial de una vlvula de compuerta, la curva de carga del sistema varia hacindose ms inclinada. La misma bomba tendr otras caractersticas de trabajo en el punto B, se nota que se aumento la carga y se sacrifico el gasto (caudal).

Operacin de una bomba con elevacin nula

En este caso, como la elevacin vale cero, la curva de la columna del sistema empieza en H=0 y q=0, toda la columna es friccin si observamos los grficos.

Operacin de una bomba que tiene carga esttica y de friccin apreciable

Este sistema usual se debe tener en cuenta ambas cargas para que el sistema trabaje correctamente.

Operacin de una bomba con carga de gravedad

La bomba se necesita para aumentar el gasto o caudal a un valor mayor que el que se obtiene por gravedad (punto A), as la bomba sirve nicamente para vencer la friccin en la tubera entre los tanques. El punto A en la curva corresponde al gasto del sistema debido exclusivamente a la carga de gravedad.

Relaciones de las caractersticas de las bombas CentrfugasExisten ciertas relaciones que permiten que el funcionamiento de una bomba centrfuga se pueda predecir para una velocidad que no sea aquella para la cual se conoce la caracterstica de la bomba, las cuales son:

Donde:

n: la velocidad en r.p.m.

Q: la capacidad en litro por minuto a la velocidad n

H: la carga en metros a la velocidad deseada n par a la capacidad Q

P: la potencia al freno en caballos de fuerza al velocidad deseada n con H y Q. Punto de Operacin de una Bomba

El punto de operacin de una bomba proporciona su capacidad a un determinado valor de carga total.

La fig. ilustra como un determinado sistema de tuberas se comporta en trminos de la friccin en el sistema como una funcin de la velocidad de flujo volumtrico (Q)

Carga Dinmica Total

H = Hd Hs

Proceso de cebado de una bomba:Una bomba centrfuga se ceba cuando los conductos de la bomba se llenan con el lquido que se va a bombear. El lquido reemplaza al aire, gas o vapor en los conductos. La expulsin del aire, gas o vapor puede hacerse manualmente o automticamente, dependiendo del tipo de equipo y controles usados. Alguien familiarizado con las bombas de desplazamiento positivo de los tipos reciprocantes y rotatorios, parecer raro que una bomba centrfuga no pueda cebarse por s sola. Las bombas de desplazamiento positivo, bombean aire como cualquier lquido y, por ello, expulsaran cualquier cantidad de aire que haya en la lnea de succin. La bomba centrfuga tambin puede bombear aire, pero debido a la baja densidad del aire, la presin real desarrollada cuando se bombea, es muy pequea. El vaco es insuficiente para el cebado normal.

Con una carga de succin positiva en la bomba, el cebado se logra escapando el aire atrapado al exterior de la bomba por una vlvula provista para ese objeto. Si la bomba toma succin de un abastecimiento localizado debajo de la misma, el aire de la bomba debe evacuarse, ya sea con algn dispositivo que produzca vaco o instalando una vlvula de zapata en la lnea de succin, de modo que la bomba y su tubera de succin puedan llenarse con agua, o teniendo una cmara de cebado en la lnea de succin.

Cavitacin Cuando un lquido en movimiento roza una superficie se produce una cada de presin local, y puede ocurrir que se alcance la presin de vaporizacin del lquido, a la temperatura que se encuentra dicho lquido. En ese instante se forman burbujas de vapor. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presin e implotan. Este fenmeno recibe el nombre de cavitacin.

La implosin causa ondas de presin que viajan en el lquido y las mismas pueden disiparse en la corriente del lquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas de presin es la misma, el material tiende a debilitarse metalrgicamente y se inicia una erosin que adems de daar la superficie provoca que sta se convierta en una zona de mayor prdida de presin y por ende de mayor foco de formacin de burbujas de vapor.

En el caso de las turbomquinas, tanto en bombas como en turbinas se puede presentar dicho fenmeno, y la zona que resulta ms susceptible de formacin de cavitacin en el caso de rodetes radiales y semiaxiales es la superficie adyacente al dimetro interior del rotor.

- Altura de colocacin de una Bomba y Altura Neta Positiva de Succin

Como la cavitacin es un fenmeno no deseado determinaremos el lmite crtico de la distancia de colocacin de una bomba para que ocurra dicho fenmeno.

La cada de presin del lquido desde la brida de entrada hasta la entrada de ste al rodete sera:

donde es la presin del lquido en la brida y en la entrada al rodete.

Sabemos que la cada de presin del lquido desde la brida de entrada hasta la entrada del lquido al rodete es funcin de a) la cada de energa cintica desde la brida a la entrada al rodete b) de las prdidas hidrulicas que ocurran en ese trayecto las cuales representaremos por

c) por las prdidas al inicio de la trayectoria en el canal de entrada de los labes, las cuales representaremos por Luego

Si llamamos resulta

en esta expresin llamaremos

Ahora bien, el momento crtico ocurre cuando a la entrada del rodete se alcanza la presin de vaporizacin del lquido a la temperatura que ste se encuentre, es decir:

La presin de entrada a la brida puede obtenerse a partir de la ecuacin de Bernoulli donde: donde por lo que se desprecia

Para el momento crtico de iniciacin de la cavitacin

Observemos que para una instalacin puede ocurrir:

en este caso la bomba cavitar

la bomba operar libre de cavitacin

En la prctica suele usarse otra expresin que resultan de las mismas ecuaciones anteriores slo que se basan en la comparacin del valor del NPSH, llamando NPSH requerido al entregado por el fabricante con la curva caracterstica y NPSH disponible al valor calculado de la siguiente expresin:

Si ste valor resulta menor o igual al valor del NPSH requerido, indicar que est ocurriendo la cavitacin.

Es de mencionar que en muchos casos el valor de es el valor de la presin atmosfrica siendo para este valor el caso usualmente ms desfavorable.

Muy importante es llamar la atencin sobre el trmino ste representa la altura geodsica a la cual se coloca una bomba por encima del nivel o superficie del lquido en un tanque ( o recipiente del lquido) desde donde succiona la bomba. Si la bomba est situada por debajo del nivel del lquido succionado el trmino ser negativo y la ecuacin anterior resultar

es decir

Bombas que operan en Paralelo.

Cuando las bombas se conectan en paralelo para una misma carga se suman los caudales.

Utilizando 2 bombas idnticas para alimentar el fluido desde la misma fuente y entregarlo en la misma carga del sistema, duplica la velocidad del flujo entregado. Este mtodo proporciona flexibilidad en la operacin, debido a que una de las bombas puede apagarse durante las hrs. de baja demanda o para darles mantenimiento.Bombas que operan es Serie.

Cuando las bombas se conectan en serie para un mismo caudal se suman las cargas.

Dirigiendo la salida de una bomba o la entrada de una segunda bomba, permite la obtencin de la misma capacidad a una carga total igual a la suma de los valores de las otras 2 bombas. Este mtodo permite la operacin contra valores de carga altos, los cuales son poco frecuentes. Tipos de bombas centrfugas: a) Radiales, axiales y diagonales.

b) De impulsor abierto, semiabierto y cerrado

c) Horizontales y verticales.