Caisaguano_bombas.docx

Universidad Técnica de Ambato Facultad De Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial Carrera de Ingeniería Industrial en Procesos de Automatización Tema: BOMBAS Carrera: Ingeniería Industrial en Procesos de Automatización Unidad de Organización Curricular: Profesional Ciclo Académico Septiembre 2018 – Febrero 2019. Paralelo: Sexto “A”. Alumna: Caisaguano Cayo Fanny Elizabeth Módulo MECÁNICA DE FLUIDOS Docente: Ing. Pérez Víctor

Parámetros para hacer la selección de una bomba.  Curvas características para seleccionar una bomba Las curvas de las bombas son presentaciones gráficas que relacionan la presión, el caudal y el rendimiento de las mismas; en algunos casos se agrega información sobre la potencia requerida y la altura de succión [1].  Curva Presión- Caudal En esta curva se representa en las ordenadas la presión total que genera la bomba y en el eje de las abscisas el gasto, las unidades de presión generalmente son metros de columna de agua como libra por pulgada² (psi) y las de caudal litros por minuto (l/mn), galones por minuto (gpm) y metros cúbicos por minuto (m³/min). Esta curva tiene pendiente negativa, indicando la relación inversa que existe entre presión y caudal. Estas curvas se presentan para diferentes diámetros de impulsor.

Ilustración 1 Curva Presión- Caudal

En esta gráfica te mostramos que en el número (1) se encuentran las alturas y presión en la que trabajan las bombas en el número (2) los gastos por litro o galones por minuto, en el (3) la eficiencia, en el (4) la potencia al freno y en el (5) la aspiración de la bomba.

 Curva Gasto- Potencia. Esta curva relaciona el caudal elevado con la potencia que consume la bomba. La menor potencia se consume con el gasto mínimo o nulo, lo que significa cerrar la válvula de salida. En grandes equipos de bombeo, para disminuir el consumo de energía los equipos parten con las válvulas cerradas y abriéndolas de a poco.  Curvas de Eficiencia Las curvas de eficiencia normalmente se trazan sobre las curvas de Caudal potencia, naturalmente que esta curva es muy importante ya que a mayor eficiencia significa menor consumo de combustible o energía eléctrica para conseguir un mismo efecto.

Ilustración 2 Curvas de Eficiencia

En esta gráfica te mostramos que en el número (1) se encuentran las alturas y presión en la que trabaja las bombas en el número (2) los gastos por litro o galones por minuto, en el (3) la eficiencia, en el (4) la potencia al freno y en el (5) la aspiración de la bomba. Los conceptos de las curvas antes mencionadas nos ayudaran a determinar que bomba es la que necesitamos ya que nos muestran el gasto máximo y sus presiones como su eficiencia para reducción de costos regularmente se estipulan perdidas y otros factores que tienen que ver con

el diseño en este caso nos enfocaremos solo en el número de emisores (goteros, cintilla, aspersores y nebulizadores) el gasto que tienen y la presión en la que trabajan el por qué es debido a que son sistemas pequeños de mínimos requerimientos un ejemplo: EJERCICIO DIDÁCTICO Un nebulizador HYD de 3 galones por minuto (GPH) debemos recordar que un galón son 3.8 litros esto por 3 nos da la capacidad de liberación en litros que son 11.4 litros en una hora y en un minuto .19 litros si necesitamos 50 nebulizadores la demanda seria 9.5 litros por minuto (l/min) donde necesitamos un volumen de un litro por nebulizador lo cual se dejara funciona durante 6 minutos teniendo un volumen total de 50 litros en 6 minutos por lo cual necesitamos un equipo que muevan este volumen y nos de la presión funcional para esto le daremos solución mediante las gráficas y después por medio de una fórmula para realizar una buena selección de una bomba.

En esta gráfica lo que hacemos es hacer una intercepción partiendo del gasto que ocupamos para poder determinar la bomba que necesitamos. Como se muestra en la gráfica con el dato generado anteriormente y la intercepción realizada que se presenta en el gráfico con líneas punteada arrojando la capacidad de la bomba que necesitamos, generalmente cuando se te vende una bomba el proveedor o comerciante te muestra las gráficas que te presentamos anteriormente o en su página de internet aparecen, esta es la forma más sencilla de seleccionar una bomba.

La otra forma es determinarlo mediante la siguiente fórmula.

Lo que hacemos es determinar el gasto total el cual ya determinamos hace un momento que fue de 90 litros la altura manométrica (H) la cual se estipula con la carga de pérdidas en este caso utilizaremos la altura a nivel del mar como por ejemplo a 2700 la altura a vencer es de 7 metros, la eficiencia de la bomba la encontramos en las características de la bomba para este caso manejaremos del 60%. 𝐻𝑃 =

90 ∗ 7 630 = = 1,3 76 ∗ 60 4560

Este resultado nos arroja el caballaje de bomba que necesitamos para nuestros sistemas, gracia a esto sabemos que con una bomba de 1/4 podemos realizar el riego eficientemente. Energía que una bomba transmite al fluido

Las bombas se incluyen en un sistema de tuberías para convertir energía mecánica (suministrada por un mecanismo impulsor) en energía hidráulica. Esta energía adicional permite transmitir un fluido de un lugar a otro cuando no es factible que fluya por gravedad, elevarlo a cierta altura sobre la bomba o recircularlo en un sistema cerrado. En general, el efecto de una bomba en un sistema es incrementar la energía total en una cantidad H, como se muestra en la figura.

Ilustración 3 Efecto de una bomba en un sistema

El tipo de unidad impulsora más común para una bomba es el motor eléctrico. Si la bomba y el motor están unidos, la velocidad de rotación de la bomba está determinada por la energía sincrónica del motor eléctrico. La relación entre la velocidad sincrónica n en rev/min, la frecuencia de la corriente suministrada f en Hz y el número de pares de polos p en el motor, está dada por:

En algunas ocasiones en instalaciones grandes, se incluyen dispositivos para regular la velocidad de la bomba a un valor no sincrónico para lograr mayor eficiencia.  Definición de la cabeza de la bomba La energía proporcionada por una bomba a un sistema se expresa como la cabeza equivalente del líquido que está siendo bombeado y se conoce como la cabeza total de la bomba. La cabeza total es la diferencia entre la cabeza de energía total a la salida y la cabeza de energía total a la entrada. Por ejemplo, para la figura 1 se tiene

Si la diferencia entre las cabezas de velocidad a la entrada y la salida es despreciada,

 Relación bomba - sistema Es necesario relacionar la cabeza de la bomba con las características del sistema en el cual se instala. Una instalación típica se muestra en la figura.

Ilustración 4 Cambios en la energía y la presión de un sistema.7 TEL = Línea de energía total HG = Gradiente hidráulico HS = Cabeza estática a la entrada. Si, como se muestra en la figura, el nivel del agua en el tanque está sobre la bomba, HS es positivo. Si el nivel del tanque está debajo de la bomba (esquema punteado) HS será negativo HD = Cabeza estática entregada HTS = Cabeza estática total en el sistema = HD - HS (considerando el signo de HS) hfS = Pérdida de energía a la entrada de la bomba, debida a fricción y a accesorios hfD = Pérdida de energía del lado de descarga de la bomba, debida a fricción y a accesorios Se tiene que: Cabeza de energía total a la entrada = HS - hfS Cabeza de energía total a la salida = HD + hfD Por lo tanto, la cabeza total de la bomba H es: H = (HD + hfD) - (HS - hfS) H = HTS + (hfD + hfS)

H = cabeza estática total + pérdidas por fricción y locales totales en el sistema Por conveniencia, la referencia para las mediciones verticales se toma en el eje de la tubería. La cabeza de velocidad a la entrada del tanque superior en el caso ilustrado ha sido incluida en hfD como una pérdida menor.

Si la cabeza estática a la entrada es negativa

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la cabeza de presión a la entrada de la bomba será negativa.

A medida que la presión desciende y se acerca a la presión de vapor del fluido, los gases antes disueltos en el fluido comienzan a salir y a formar burbujas. En una bomba esto suele ocurrir a la entrada del rodete.  Cuando la presión comienza a incrementarse en la bomba, las burbujas se revientan causando daños al interior de la bomba. Este fenómeno se conoce como cavitación. Si ocurre cavitación la bomba opera ineficientemente debido a una reducción en el área de flujo por la presencia de vapor; por tanto, es necesario controlar la magnitud de la cabeza de presión a la entrada de la bomba [2]. EFICIENCIA DE UNA BOMBA De acuerdo con la forma de sus rotores (impulsores), las bombas rotodinámicas se clasifican en:  Bombas centrífugas (flujo radial)  Bombas de flujo axial  Bombas de flujo mixto Para la misma potencia de entrada y para igual eficiencia, las bombas centrífugas se caracterizan por presentar una presión relativamente alta con un caudal relativamente bajo, las bombas de flujo axial generan un caudal alto con una baja presión y las de flujo mixto tienen características que se ubican en un rango intermedio con respecto a los casos anteriores.

Para todos es claro que las maquinas que transforman la energía no son 100% eficientes, de aquí nace él termino EFICIENCIA, ya que para una maquina la potencia de entrada no es la misma que la potencia de salida. Teniendo en cuenta lo anterior, sabemos que si la energía que entra no es igual a la que sale es porque en alguna parte hubo una perdida energética. Estas pueden ser:  Perdidas de potencia hidráulicas (Ph)  Perdidas de potencia volumétricas (Pv)  Perdidas de potencia mecánicas (Pm) Pérdidas de potencia hidráulicas Estas disminuyen la energía útil que la bomba comunica al fluido y consiguientemente, la altura útil. Se producen por el rozamiento del fluido con las paredes de la bomba o de las partículas del fluido entre sí. Además, se generan pérdidas hidráulicas por cambios de dirección y por toda forma difícil al flujo. Esta se expresa de la siguiente forma:

Donde Hint son las pérdidas de altura total hidráulica. Pérdidas de potencia volumétricas: Se denominan también perdidas intersticiales y son perdidas de caudal que se dividen en dos clases:  Perdidas exteriores (qe)  Perdidas interiores (qi) Las primeras constituyen una salpicadura de fluido al exterior, que se escapa por el juego entre la carcasa y el eje de la bomba que la atraviesa. Las interiores son las más importantes y reducen considerablemente el rendimiento volumétrico de algunas bombas. Estas pérdidas se explican de la siguiente forma: a la salida del rodete de una bomba hay más presión que a la entrada, luego parte del fluido, en vez de seguir a la caja espiral, retrocederá por el conducto que forma el juego del rodete con la carcasa, a la entrada de este, para volver a ser impulsado por la bomba. Este caudal, también llamado caudal de cortocircuito o de reticulación, absorbe energía del rodete.

Perdidas de potencia mecánicas Estas se originan principalmente por las siguientes causas:  Rozamiento de los prensaestopas con el eje de la maquina  Accionamiento de auxiliares (bomba de engranajes para lubricación, cuenta revoluciones)  Rozamiento de la pared exterior del rodete con la masa fluida que lo rodea. Después de conocer la forma de “perdidas energéticas” que se producen en las bombas podemos entrar a conocer los tipos de eficiencia para cada tipo de pérdidas. Eficiencia hidráulica Esta tiene en cuenta las pérdidas de altura total, Hint y Hu, donde Hint son las pérdidas de altura total hidráulicas y Hu = Htotal – Hint, luego la eficiencia hidráulica está dada por la siguiente ecuación:

Eficiencia volumétrica Esta tiene en cuenta las perdidas volumétricas y se expresa como:

Donde Q es el caudal útil impulsado por la bomba y (Q+qe+qi) es el caudal teórico o caudal bombeado por el rodete Eficiencia interna Tiene en cuenta todas las perdidas internas, o sea, las hidráulicas y las volumétricas, y engloba las eficiencias hidráulicas y volumétricas:

Donde Pu es la potencia útil, la cual será en impulsar el caudal útil a la altura útil

Pi es la potencia interna, o sea, la potencia suministrada al fluido menos las perdidas mecánicas (Pm)

Después de realizar algunos cálculos algebraicos tenemos que la ecuación para la eficiencia interna es la siguiente:

Eficiencia total Esta tiene en cuenta todas las perdidas en la bomba, y su valor es:

Donde Pu es la potencia útil y Pa es la potencia de accionamiento [3].

EJEMPLO Para la configuración de medición de prueba de una bomba que se muestra en la figura determine la eficiencia mecánica de la bomba si la entrada de potencia es de 3.85hp cuando se encuentra bombeando 500 gal/min de aceite ( y(ro)= 56.0 lb/ pie^3)

SOLUCIÓN:

utilizando los dos puntos (1 y 2) de la figura

𝑃1 𝑉12 𝑃2 𝑉12 + 𝑍1 + + ℎ𝐴 = + 𝑍2 + 𝛾 2𝑔 𝛾 2𝑔 puesto que tenemos que encontrar la potencia transmitida por la bomba al fluido debemos ahora resolver para hA, se utiliza la siguiente ecuación: ℎ𝐴 =

𝑃2 − 𝑃1 𝑉22 − 𝑉12 + (𝑍2 − 𝑍1) + 𝛾 2𝑔

es conveniente resolver para cada termino de manera individual y después combinar los resultados el manómetro nos permite calcular (P_1-P2) /y puesto que mide la diferencia de presión. escribir ecuación del manómetro en los puntos 1 y 2 𝑃1 − 𝛾𝑦 − 𝛾𝑚(20.4𝑝𝑙𝑔) − 𝛾(20.4 𝑝𝑢𝑙𝑔) − 𝛾𝑦 = 𝑃2

en la que y es la distancia desconocida del punto 1 a la parte superior de la columna de mercurio del brazo izquierdo del manómetro. Los términos que contienen a y se cancelan, tenemos también que en esta ecuación Yo es el peso específico del aceite y que Ym es el peso específico del fluido manométrico, en este caso mercurio, el resultado deseado para su uso en la ecuación 7 es (P_2-P1)/Yo resuelva para esta diferencia y calcule el resultado la solución correcta es (P_2-P1)/Yo=24.0 pies. 𝛾𝑚 = 13.54 ∗ 𝛾 = (13.54 ∗ 62.4) = 844.9

𝑙𝑏 𝑝𝑖𝑒 3

𝑃2 − 𝑃1 = 𝛾(20.4 𝑝𝑢𝑙𝑔) − 𝛾(20.4 𝑝𝑢𝑙𝑔) 𝑃2 − 𝑃1 𝛾(20.4 𝑝𝑢𝑙𝑔) = − (20.4 𝑝𝑢𝑙𝑔) 𝛾 𝛾 (−114 ∗ 20.4 𝑝𝑢𝑙𝑔) (

1 𝑝𝑖𝑒 ) = 24 𝑝𝑖𝑒𝑠 12 𝑝𝑢𝑙𝑔

𝑉22 − 𝑉12 2𝑔 𝑉22 − 𝑉12 = 1.99 𝑝𝑖𝑒𝑠 𝑄 = 500

𝑔𝑎𝑙 1 𝑝𝑖𝑒 3 /𝑠𝑔 + = 1.11𝑝𝑖𝑒 3 /𝑠𝑔 𝑚𝑖𝑛 449 𝑔𝑠𝑙/𝑚𝑖𝑛

𝑃𝐴 = ℎ𝐴𝛾𝑄 = 25.99 ===> 2.95 𝐻𝑝 𝐸𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 =

𝑃𝐴 2.95 = = 0,77 𝑃1 3.85

expresado en porcentaje, la bomba es 77 por ciento eficiente en las condiciones establecidas.

NPSH – CARGA DE SUCCIÓN NETA POSITIVA NPSH (Net Positive Suction Head) Por definición el NPSH es la carga de succión neta positiva, medida con relación al plano de referencia, aumentada de la altura correspondiente a la presión atmosférica y disminuida de la altura debida a la tensión de vapor del líquido [4].

Hay que tener presente dos conceptos:  NPSH (Requerido) Es la NPSH mínima que se necesita para evitar la cavitación. Depende de las características de la bomba, por lo que es un dato regularmente proporcionado por el fabricante.  NPSHr = Hz + (V2/2g) Donde: Hz = Presión absoluta mínima necesaria en la zona inmediata anterior a los alabes. V2/2g = Carga cinética correspondiente a la velocidad de entrada del líquido en la boca del impulsor.  NPSH (Disponible) Depende de las características de la instalación y del líquido a bombear. Esta es independiente del tipo de bomba y se calcula de acuerdo a las condiciones atmosféricas y de instalación/operación.

NPSHd = Ha – Hs – Hv – Hf Dónde: Ha= Presión atmosférica en pies (ver en tablas) Hs = Altura de succión en pies (Nota: Hs se resta si el nivel del agua está por abajo del ojo del impulsor; se suma si el nivel del agua está por arriba del impulsor) Hv = Presión de vapor en pies (depende de la temperatura del líquido; ver en tablas) Hf = Pérdidas de fricción en la tubería de succión (pies)

El conocimiento del NPSHd por el instalador es fundamental para la elección adecuada de la bomba y evitar así posibles fracasos.

Por lo tanto, para evitar cavitación en la bomba y asegurar el correcto funcionamiento de una instalación, el NPSH disponible debe ser siempre mayor al NPSH requerido por la bomba. NPSHd > NPSHr

Ejemplo de NPSH – Altura de Succión Elevación = 500 pies arriba del nivel del mar Temperatura del Agua = 21°C Carga de Succión (Hs) = 13 pies Capacidad = 300 Galones por Minuto (GPM) Longitud del Tubo de Succión (Acero) = 13 pies

Diámetro del Tubo = 4 pulgadas Ha = 33.3 pies (De pg.12- Presión Atmosférica) Hv = .84 pies de carga (Pág. 12 del Manual de Ing. – Propiedades del Agua) Hf = (9.19/100) * 13’ + (9.19/100) * 12’ = 1.19 (Pérdidas en Tubo) + 1.10 (Pérdidas en Conexiones) = 2.29 pies Hs = 13 pies

NPSHd = Ha – Hs – Hv – Hf NPSHd = 33.3’ – .84’ – 2.29 – 13’ = 17.2 pies NPSHr para DB3 300GPM = 11 pies

17.2 > 11, por lo tanto: Aceptable

BIBLIOGRAFÍA [1]

“Guia:Como selecionar una bomba : .: Hydro Environment .: Hidroponia en Mexico.” [Online]. Available: https://www.hydroenv.com.mx/catalogo/index.php?main_page=page&id=151. [Accessed: 08-Ener-2019].

[2]

Á. U. Centro de Investigaciones Hidráulicas (Cuba), Ingeniería hidráulica y ambiental., vol. 33, no. 3. Centro de Investigaciones Hidráulicas, Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverri ́a, 2012.

[3]

“Eficiencia en bombas.” [Online]. Available: http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/eficienciaenbomb as/eficienciaenbombas.html. [Accessed: 08-Ener-2019].

[4]

“NPSH – Carga de Succión Neta Positiva | Franklin Electric Noticias del Mercado.” [Online]. Available: https://franklinelinkmx.wordpress.com/2010/04/26/npsh-carga-desuccion-neta-positiva/. [Accessed: 08-Ener-2019].