2.8 Aplicacion en sistemas hidroneumaticos-2.9 Proyecto de aplicacion de bombas-2.10 Centrifugas PDF

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analizar sistemas hidroneumaticos y sus aplicaciones discutirlo en el aula de clases.-
elaborar un proyecto de aplicacion de bombas centrifugas para que los alumnos la analicen...

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2.8 SISTEMAS HIDRONEUMATICOS Y SUS APLICACIONES. Los sistemas hidroneumáticos Entre los distintos sistemas de suministro de agua endistintos complejos o instalaciones han demostrado ser una de las opcionesmas eficientes y versátiles. Desde el punto técnico/económico, el cual trae grandes ventajas comparando con otros sistemas; este tipo de sistemas se arman colocando un sistema de tanques parcialmente llenos con aire a presión llamados tanques hidroneumáticos. Esto hace que la red mantenga una presión excelente, mejorando el funcionamiento de lavadoras, filtros, regaderas, llenado rápido de tinacos y/cisternas, operaciones de fluxómetros, riego por aspersión, entre otros; demostrando así la importancia en diferentes áreas de aplicación para los equipos hidroneumáticos.

Cada una de las marcas y modelos de este concepto de Sistemas Hidroneumáticos son eficientes para aplicaciones tales como:

➢ ➢ ➢ ➢ ➢

Unidades Habitacionales Inmuebles con alto consumo de Agua Presurización de redes hidráulicas Instalaciones Industriales Riego por aspersión

Los Sistemas Hidroneumáticos se basan en el principio de compresibilidad o elasticidad del aire cuando es sometido a presión, funcionando de la siguiente manera: El agua que es suministrada desde el acueducto público u otra fuente, es retenida en un tanque de almacenamiento; de donde, a través de un sistema de

bombas, será impulsada a un recipiente a presión (de dimensiones y características calculadas en función de la red), y que posee volúmenes variables de agua y aire. Cuando el agua entra al recipiente aumenta el nivel de agua, se comprime el aire y aumenta la presión, cuando se llega a un nivel de agua y presión determinados (Pmáx.), se produce la señal de parada de bomba y el tanque queda en la capacidad de abastecer la red; cuando los niveles depresión bajan, a los mínimos preestablecidos (Pmín.) se acciona el mando de encendido de la bomba nuevamente. Como se observa la presión varía entre Pmáx y Pmín, y las bombas prenden y apagan continuamente. El diseño del sistema debe considerar un tiempo mínimo entre los encendidos de las bombas conforme a sus especificaciones, un nivel de presión (Pmín) conforme al requerimiento de presión de instalación y un Pmáx, que sea tolerable por la instalación y proporcione una buena calidad de servicio.

El reglamento de Instalaciones Sanitarias obliga a que la capacidad de las bombas sea un 125% del gasto máximo probable a la presión mínima requerida para el sistema, a fin de asegurar abastecer la demanda máxima al mismo tiempo que se llena el estanque de presión.

COMPONENTES DEL SISTEMA HIDRONEUMÁTICO Un sistema hidroneumático debe estar constituido por los siguientes componentes:

➢ Un tanque de presión: Consta de un orificio de entrada y uno de salida para el agua (en este se debe mantener un sello de agua para evitar la entrada de aire en la red de distribución), y otro para la inyección de aire en caso de que este falte.

➢ Un número de bombas acorde con las exigencias de la red. (Una o dos en caso de viviendas unifamiliares y dos o más para edificaciones mayores).

➢ Interruptor eléctrico para detener el funcionamiento del sistema, en caso de faltar agua en el estanque bajo.

➢ Llaves de purga en las tuberías de drenaje.

➢ Válvula de retención en cada una de las tuberías de descarga de las bombas al estanque hidroneumático.

➢ Conexiones flexibles para absorber las vibraciones.

➢ Llaves de paso entre la bomba y el equipo hidroneumático; entre este y el sistema de distribución.

➢ Manómetro.

➢ Válvulas de seguridad.

➢ Dispositivo para control automático de la relación aire/agua. (Puede suprimirse en caso de viviendas unifamiliares)

➢ Interruptores de presión para arranque a presión mínima y parada a presión máxima, arranque aditivo de la bomba en turno y control del compresor.

➢ Indicador exterior de los niveles en el tanque de presión. (Puede suprimirse en caso de viviendas unifamiliares)

➢ Tablero de potencia y control de motores. (Puede suprimirse en caso de viviendas unifamiliares)

➢ Dispositivo de drenaje del tanque hidroneumático y su correspondiente llave de paso.

➢ Compresor u otro mecanismo que reponga el aire perdido en el tanque hidroneumático.

La vida útil de un sistema hidroneumático, en este caso residencial y para edificios de poca altura, dependerá del programa de mantenimiento que pueda darse al sistema, ya que la vida media de un equipo de este tipo supera los diez años, si se le da un mantenimiento adecuado, para ello se anexa a este trabajo de graduación un manual de mantenimiento para sistemas hidroneumáticos, con el cual se podrá alargar la vida del equipo, no se toma en cuenta el aumento poblacional ya que por ser un sistema residencial el aumento de la demanda no es significativo.

2.9 Proyecto De Aplicación De Bombas Sistema (líneas de flujo). En muchas ocasiones el sistema al cual se necesita acoplar una bomba existe con anterioridad, y el trabajo se reduce a conocer y entender bien las características del mismo, para así poder determinar satisfactoriamente la bomba necesaria para poder cumplir con los requerimientos del proceso. Asumiendo que se debe concebir el sistema para que satisfaga las necesidades del proceso, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:

•

Caudal requerido.

•

Cabeza requerida (este aspecto está fuertemente influenciado por las características del sistema).

•

Fluido a bombear.

•

Temperatura del fluido.

La característica de un sistema está dada por la curva de cabeza-caudal, la cual está dada por dos componentes; la cabeza estática total, TSH, (Fija. Independiente del caudal manejado) y la Cabeza Dinámica, CD, (Variable. Dependiente del caudal manejado). Esta Cabeza Estática Total (TSH) se determina físicamente sobre el sistema, y generalmente se dan las dos configuraciones siguientes:

•

La bomba se encuentra por encima del nivel de succión (Fig.2).

•

La bomba se encuentra por debajo del nivel de succión (Fig.3).

Fig.2 Bomba por encima de la succión En este caso la Cabeza Estática Total (TSH) es la suma de la Elevación De Succión Estática (SSL), más la Cabeza Estática De Descarga (SDH) TSH = SSL + SDH

En este caso la Cabeza Estática Total (TSH) es la diferencia entre la Cabeza Estática de Descarga (SDH), menos la Cabeza Estática de Succión (SSH). La Cabeza Dinámica es variable, ya que depende de varios factores, como son; caudal manejado por el sistema (velocidad de flujo), las características físicas de la tubería (diámetro y rugosidad) y la viscosidad del fluido (es función de la temperatura), forma general de la línea (accesorios y válvulas). Dicha cabeza cuantifica las pérdidas de energía que se generan por fricción en la tubería, y cambios de dirección (u obstrucciones) producto de las válvulas y los accesorios.

•

Para calcular las pérdidas por fricción en la tubería se utiliza la ecuación de Darcy-Weisbach:

ℎ𝑓 = 𝜍 ( Donde 𝜍 : = Factor de fricción. •

𝑙

𝑑

𝑉2 ) 2𝑔

Para calcular las pérdidas por accesorios y válvulas se utiliza el método de Coeficiente de Resistencia K. Con la siguiente ecuación:

ℎ𝑎 = 𝐾

𝑉2 2𝑔

Donde: K= Factor de fricción. Así la cabeza dinámica es igual a la suma de las dos expresiones anteriores. 𝑙 𝑉2 𝑉2 𝐶𝐷 = ℎ𝑓 + ℎ𝑎 = 𝜍 ( ) +𝐾 2𝑔 𝑑 2𝑔 𝑙 𝑉2 𝐶𝐷 = [𝜍 ( ) + 𝐾] 2𝑔 𝑑

Ahora, ya que está determinado el comportamiento del sistema dependiendo del caudal manejado, revisaremos las características de la bomba, para así elegir la bomba más apropiada. Principios fundamentales. Una bomba centrifuga es una máquina que convierte la potencia de entrada (rotativa, motor) en energía cinética en el fluido por medio de un mecanismo giratorio, el impulsor. El principal fenómeno físico de transferencia de energía es el efecto centrífugo ejercido sobre el fluido. Adicionalmente, el efecto de la forma de la voluta o carcaza sobre el fluido es la transformación de energía (de cabeza de velocidad a cabeza depresión) por el fenómeno de continuidad, también contribuye al aumento del nivel energético del fluido en la descarga de la bomba (Fig. 5)

El nivel energético del fluido en cualquier punto (*) está dado por la expresión: 2 𝑝∗ 𝑉∗ + + 𝑧∗ 𝐸∗ = 𝑝𝑔 2𝑔

Considerando que la bomba transfiere energía al fluido, se puede hacer un balance energético entre la succión y la descarga de la bomba; puntos 1 y 2, respectivamente (Fig.6). 𝐻=(

𝑝 𝑉2 𝑉2 𝑝 + 𝑧) − ( + + + 𝑧) 𝑝𝑔 2𝑔 𝑝𝑔 2𝑔 2

1

Fig. 6 Balance energético de la bomba.

La energía entregada por la bomba al fluido, despreciando la transferencia de calor y el trabajo viscoso está dada por H, (en términos de cabeza). Dado que existen perdidas internas en las bombas de tipo hidráulicas, volumétricas y mecánicas; cobra sentido definir la eficiencia de la bomba. En función de la potencia transferida al fluido y la potencia entregada a la bomba por el eje del motor, se define la eficiencia así:

𝑛=

𝑃𝑤

𝑝𝑔𝑄𝐻 = 𝑤𝑇

𝑏ℎ𝑝 El movimiento del impulsor genera una baja presión en la succión de la bomba, lo cual hace que el fluido se mueva hacia el ojo del impulsor (Fig.7).

Fig. 7 Distribución de presión en el impulsor de una bomba centrífuga radial.

En la figura anterior se muestra la generación de la presión en la medida en que el líquido va abandonando el impulsor. Adicionalmente se muestra claramente la diferencial de presión entre el lado convexo con relación al cóncavo del alabe. Ahora, después de entender el funcionamiento de una bomba, es momento de ver cómo se comporta una bomba centrífuga radial, en función de sus variables de operación. Los fabricantes de bombas proveen las curvas características de la bomba, las cuales muestran la cabeza, la eficiencia, potencia y NPSH-R, versus el caudal manejado por la bomba (Fig. 8).

Fig. 8 Curvas características de la bomba.

En este momento es importante definir el BEP, (siglas en ingles de Punto de Mejor Eficiencia); este punto como su nombre lo dice, está asociado a los parámetros de operación de la bomba en la cual su eficiencia es máxima. Así, entonces hay un valor de caudal y de cabeza relacionados al BEP (QBEP y HBEP). Lo ideal es trabajar la bomba en este punto (o en su vecindad), para suplir las necesidades del proceso. Selección. En este momento, ya es claro el comportamiento individual y por separado, del sistema y de la bomba. Ahora el trabajo consiste en hacer una buena selección de la bomba, según los requerimientos del proceso (principalmente, cabeza y caudal requerido). Hay que hacer especial claridad y énfasis en que; una bomba centrífuga siempre tratará de operar en el punto donde su curva característica se intercepte con la curva característica del sistema (Fig. 9).

Fig. 9 Comportamiento conjunto Sistema - bomba.

El paso siguiente es la selección de la bomba, para esto se debe tener en cuenta dos aspectos primordiales 1. 𝐻𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 ≈ 𝐻𝐵𝐸𝑃 ≈ 𝑄𝐵𝐸𝑃 ≈ 𝑄𝐵𝐸𝑇 2. Buscar una bomba que los valores de cabeza y caudal en su BEP, coincidan o sean similares a la cabeza y caudal requeridos por el proceso. Así: 3. Buscar una bomba la cual tenga una curva cabeza-caudal (H-Q), cuya característica pueda cumplir los posibles rangos de operación para satisfacer el proceso. El primer punto anterior no es mucho lo que nos puede decir sobre el tipo de bomba a utilizar dado que varias bombas, de varios tipos, pueden tener un BEP que se acerque al requerido por el proceso. Pero al tener conocimiento sobre el rango de trabajo que requiere el proceso, toma sentido el segundo punto anterior, dado que buscaríamos una bomba que satisfaga las necesidades pertinentes. A continuación, se presentarán tres curvas con características H-Q muy diferentes, con los mismos valores de cabeza y caudal para el BEP.

Fig. 10 Curvas características bomba flujo Radial.

Fig. 11 Curvas características bomba flujo Mixto.

Fig. 12 Curvas características bomba flujo Axial. Cada una de las tres bombas anteriores cumplen a cabalidad el primer aspecto a tener en cuenta en la selección de la bomba. Como se mencionó anteriormente, para poder satisfacer el segundo punto es necesario conocer el rango de operación del proceso para así elegir una bomba cuya curva H-Q satisfaga dichos requerimientos, sin alejarse significativamente del punto de mejor eficiencia de la bomba. Además de la cabeza y el caudal, también están asociados al BEP, un

valor de potencia(bhp) y un valor de NPSHR (siglas en ingles de Cabeza Neta de Succión Positiva Requerida). La potencia requerida en el BEP puede ser conseguida dependiendo del motor seleccionado, por lo general esto no genera mucho inconveniente dada la amplia gama de motores desarrollados en la industria. El termino NPSHR es una medida de la energía mínima requerida en el ojo de succión de la bomba, para garantizar el buen funcionamiento de la bomba. El NPSHR es un parámetro de la bomba y es determinado y suministrado por el fabricante de la bomba. Este parámetro debe ser comparado contra el NPSHA (siglas en ingles de Cabeza Neta de Succión Positiva Disponible), el cual está determinado por las características del tramo de succión del sistema, y se puede mejorar aumentando el diámetro de la tubería de succión, mejorando la calidad de dicha tubería, reduciendo la distancia de la tubería de succión y la cantidad de accesorios en la línea. Todo lo anterior con el fin de garantizar que: 𝑁𝑆𝑃𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 > 𝑁𝑆𝑃𝐻𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 Muchos autores y la practica aconseja que: 𝑁𝑆𝑃𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 + 5 𝑚 ≥ 𝑁𝑆𝑃𝐻𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 esto con la intención de tener un factor de seguridad para evitar el negativo fenómeno de cavitación, el cual aqueja frecuentemente los sistemas de bombeo. Teniendo en cuenta los aspectos tratados, seguramente se concebirán sistemas de bombeo óptimos y eficientes, que garantizarán las mejores condiciones de funcionamiento teniendo en cuenta el aspecto económico desde el punto de vista de inversión inicial y de operación a lo largo de la vida útil de todo el sistema de bombeo. Dada la constante necesidad de transportar grandes cantidades de fluidos por largas distancias, las bombas centrifugas, han tomado un papel protagónico en procesos asociados a todo tipo de industrias, inclusive en aplicaciones domesticas simples. Por esta razón es importante tener un conocimiento muy somero sobredicha máquinas.

Aplicación Las bombas centrífugas hacen parte de un grupo de máquinas denominadas bombas rotodinámicas, las cuales están caracterizadas por la existencia de un elemento impulsor (o impeller) el cual es movido por un eje que le transmite la potencia a dicho elemento. Dentro de este grupo se encuentran las bombas de flujo axial, mixto y radial (Fig.1); estas últimas, de interés para el desarrollo de estas líneas.

Fig. 1 - Clasificación según tipo de flujo. Las características principales para el tipo axial son el manejo de un gran caudal, pero una baja cabeza de presión desarrollada; mientras que las de tipo radial, el comportamiento es, al contrario. Dichas bombas centrifugas (o radiales), al caracterizarse por su alta cabeza, y su bajo caudal (respecto a las axiales), aunque importante, son ampliamente utilizadas en procesos donde se requiere el transporte de una cantidad significativa de flujo aun alto nivel de cabeza para así poder vencer grandes alturas y distancias muy largas. Se estima que aproximadamente el 70% de la producción total de las bombas corresponde a bombas centrifugas. Esta es una medida de la importancia de este tipo de bombas. Son ampliamente usadas en aplicaciones mineras (por su facilidad para manejar sólidos), en acueductos, industrias químicas, oleoductos y aplicaciones domésticas.

2.10 CENTRIFUGAS (SELECCIÓN, INSTALACION Y ANALISIS)

DEFINICIÓN Un equipo de bombeo es un transformador de energía. Recibe energía mecánica y la convierte en energía que un fluido adquiere en forma de presión, de posición o de velocidad. Así, existen bombas que se utilizan para cambiar la posición de un cierto fluido. Un ejemplo lo constituye una bomba de pozo profundo, que adiciona energía para que el agua del subsuelo salga a la superficie.

Un ejemplo de bombas que adicionan energía de presión sería un acueducto, en donde las alturas, así como los diámetros de tubería y velocidades fuesen iguales, en tanto que la presión es aumentada para vencer las pérdidas de fricción que se tuviesen en la conducción. En la mayoría de las aplicaciones de energía conferida por una bomba es una mezcla de las tres, (posición, presión y velocidad), las cuales se comportan con los principios de la mecánica de fluidos.

CLASIFICACIÓN GENERAL DE LAS BOMBAS

Existen varios tipos de bombas que se pueden clasificar de la siguiente manera: *

Desplazamiento positivo

Dinamicas

BOMBAS CENTRÍFUGAS

Una bomba centrífuga consiste en un rodete que produce una carga depresión por la rotación del mismo dentro de una cubierta. Las diferentes clases de bombas se definen de acuerdo con el diseño del rodete, el que puede ser para flujo radial o axial.

1. Tipo Radial Este rodete envía por una fuerza centrífuga, el flujo del fluido en dirección radial hacia la periferia de aquel. La carga de velocidad es convertida a carga de presión en la descarga de la bomba. Por lo general, los alabes (aletas) de estos rodetes están curvados hacia atrás. El rodete radial ha sido el tipo más comúnmente usado.2.

2. Flujo axial o tipo hélice Casi toda la carga producida por este rodete es debida a la acción de empuje de las aletas. El fluido entra y sale del rodete en dirección axial o casiaxial.3.

3. Flujo mixto La carga se desarrolla con un rodete delgado, en parte por fuerza centrífuga y en parte por el empuje de las aletas. Esto se consigue construyendo aletas de curva doble o en forma de hélice, de tal forma que la descarga es una combinación de flujo axial y radial. Los cambios de las características de los rodetes tipo radial con respecto a los de tipo axial son, respectivamente, de carga grande y flujo moderado aflujo extremadamente grande y carga baja.

VENTAJAS DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS ▪

Su construcción es simple, su precio es bajo.

▪

El fluido es entregado a presión uniforme, sin variaciones bruscas ni pulsaciones. Son muy versátiles, con capacidades desde 5gpm con presión diferencial de 2 a 5 lb/pulg² con presión diferencial de 2 a 5 lb/pulg² hasta bombas múltiples con 3000gpm y 3000 lb/pulg²

▪

La línea de descarga puede interrumpirse, o reducirse completamente, sin dañar la bomba.

▪

Puede utilizarse con líquidos que contienen grandes cantidades de sólidos en suspensión, volátiles y fluidos hasta de 850°F.

▪

Sin tolerancias muy ajustadas.

▪

Poco espacio ocupado.

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Económicas y fáciles de mantener.

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No alcanzan presiones excesivas aún con la válvula de descarga cerrada.

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Máxima profundidad de succión es 15 pulgadas.

▪

Flujo suave no pulsante.

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Impulsor y eje son las únicas partes en movimiento.

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No tiene válvulas ni elementos reciprocantes.

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Operación a alta velocidad para correa motriz.

▪

Se adaptan a servicios comunes, suministro de agua, hidrocarburos, disposición de agua de desechos, cargue y descargue de carro tanques, transferencia de productos en oleoductos.

ESPECIFICACIÓN Y SELECCIÓN DE BOMBAS Analizan...