Bombas Turbina Vertical ES UNO DE LOS TIPOS MAS COMUNES QUE SE UTILIZAN ACTUALMENTE EN APLICACIONES MUNICIPALES Y EN LA INDUSTRIA. DEFINICION GENERAL: Una bomba para líquidos, con un motor o accionamiento localizado en la superficie, que le transmite el movimiento a través de un eje vertical, a la bomba que se encuentra sumergida en el mismo líquido bajo la superficie. La bomba es de tipo centrífuga multi-etapa desarrollada originalmente para elevar agua desde un pozo profundo de diámetro pequeño.

Bombas Turbina Vertical •HISTORIA •APLICACIONES •VENTAJAS EN EL USO •CRITERIOS DE SELECCIÓN •DISEÑO DE CÁRCAMOS •CASO REAL DE REDUCCIÓN EN CONSUMO DE ENERGÍA MEDIANTE REPOSICIÓN DE BOMBAS. •TECNOLOGIA EFICIENTE DE BOMBAS FAIRBANKS MORSE •PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN TURBINA VERTICAL

Historia 1897 Primera construida por Mr. K.P. Wood, Los Ángeles, California USA

En 1900 lo siguieron: Mr. B Jackson en San Francisco, California y Mr. M. Layne en Houston, Texas

Historia de Bombas de Turbina Vertical Fairbanks Morse • • •

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La historia de Fairbanks Morse viene desde el año 1830 con la compañía E & P Fairbanks En 1860 en Chicago se fundó Fairbanks Morse Co., y desde entonces fabrican bombas para agua. La línea de bombas de Turbina Vertical la integró Fairbanks Morse al comprar dos empresas pioneras en el desarrollo de este tipo de Bombas: Price Pump de San Francisco Cal. 1930 Pomona Pump Co. de Pomona California, 1945

Historia de Bombas de Turbina Vertical Fairbanks Morse • • •

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Price Pump desarrolló las bombas de sistema de lubricación con aceite de las chumaceras de línea. Pomona Pump Co. Desarrollo las bombas con sistema de lubricación con agua para las chumaceras. Simultáneamente Fairbanks Morse inició la fabricación de motores eléctricos verticales para el accionamiento de las bombas de turbina vertical. Desde entonces a la fecha Fairbanks Morse ha venido perfeccionando sus equipos de turbina vertical, con especial empeño en fabricación de equipos de alta confiabilidad, alta eficiencia, calidad en materiales de fabricación, larga vida útil y bajos costos de mantenimiento.

APLICACIONES DE LAS BOMBAS DE TURBINA VERTICAL

• Extracción de Agua de un pozo profundo

APLICACIONES DE LAS BOMBAS DE TURBINA VERTICAL

• Extracción de Agua de cuerpos de agua superficiales como ríos, lagos, lagunas, presas, etc.

APLICACIONES DE LAS BOMBAS DE TURBINA VERTICAL

• Extracción de Agua de depósitos de agua construidos por el hombre como cárcamos, tanques subterráneos, rebombeos, etc.

APLICACIÓN DE LAS BOMBAS DE TURBINA VERTICAL Este tipo de bomba es comúnmente utilizado para el suministro de agua municipal, en la agricultura, en distribución de agua en las comunidades, transporte de agua a través de acueductos, sistemas de re-bombeo, procesos industriales, sistemas de enfriamiento, en la industria petrolera, en la industria de generación de energía, sistemas contra incendio, etc.

VENTAJAS DE LAS BOMBAS DE TURBINA VERTICAL • Uso mínimo de área de instalación. • No se requiere cebamiento de la bomba, el cuerpo de tazones se encuentra sumergido en el líquido. • Alta versatilidad y adaptabilidad en términos de localización y largo de la bomba. • Alta variedad en materiales de fabricación cumpliendo con requerimientos especiales. • Adaptable a varias normas de diseños. • Se modifica fácilmente para cambios en las condiciones hidráulicas. • Velocidades de operación bajas.

CRITERIOS DE SELECCIÓN CONCEPTOS BASICOS DE SELECCION DE BOMBAS PARA LOGRAR UNA OPERACIÓN EFICIENTE: EFICIENCIA DE BOMBA (%) = POR EL FABRICANTE, GENERALMENTE SE ESPECIFICA UN RANGO, MEDIANTE UNA CURVA DE DESEMPEÑO DE LA BOMBA PARA UNA CONDICIÓN DE OPERACIÓN DADA.

EFICIENCIA DEL MOTOR (%) = POR EL FABRICANTE DEL MOTOR.

EFICIENCIA TOTAL (%) = EFICIENCIA DE BOMBA X EFICIENCIA DEL MOTOR

CRITERIOS DE SELECCIÓN

CRITERIOS DE SELECCIÓN INFORMACION DE EFICIENCIA PARA UN MOTOR VERTICAL, PUBLICADA POR EL FABRICANTE.

COMO EJEMPLO: PARA LA BOMBA DE 140LPS A 100 MCA Ef. = .849 Y PARA EL MOTOR REQUERIDO DE 250 HP, 1800 RPM, Ef.= 0.95 EFICIENCIA TOTAL = 0.849 X 0.95 = 0.80 ( 80% )

CRITERIOS DE SELECCIÓN EL ANTERIOR ES UN CALCULO TEÓRICO CON EFICIENCIAS GARANTIZADAS POR LOS FABRICANTES DE BOMBA Y MOTOR. TODO ESTARA MUY BIEN SIEMPRE Y CUANDO LAS CONDICIONES ESPECIFICADAS SE REPITAN EN LA INSTALACIÓN REAL. NORMALMENTE LOS FABRICANTES NO SON RESPONSABLES DE GARANTIZAR QUE ESTO SUCEDA. PARA ASEGURAR LO ANTERIOR SE REQUIERE LO SIGUIENTE: EL CÁLCULO DEL PUNTO DE OPERACIÓN DEBERÁ SER CORRECTO Y ADEMÁS SE DEBERÁ ANALIZAR CONDICIONES QUE PUEDEN AFECTARLO COMO SON: •DOS O MAS BOMBAS OPERANDO EN PARALELO •VARIACION EN CONDICIONES DE CARGA DINÁMICA TOTAL •OTRAS CONDICIONES PARTICULARES

DISEÑO DE CARCAMOS ADEMAS, SUPONIENDO QUE EL CÁLCULO DEL PUNTO DE OPERACIÓN DADO AL FABRICANTE DE LA BOMBA ES EL CORRECTO, LA GEOMETRÍA DE LA ESTRUCTURA DE INSTALACION DEBERÁ CUMPLIR CON PARAMETROS DE DISEÑO QUE PERMITAN LA OPERACIÓN EFICIENTE DE LAS BOMBAS. ESOS PARÁMETROS ENTRE OTROS SON: •SUMERGIMIENTO MINIMO DE LA SUCCIÓN DE LA BOMBA, •DISTANCIAS MÁXIMAS Y MINIMAS DE LA BOMBA CON LOS CONTORNOS DE LA ESTRUCTURA DE TOMA DE SUCCION, PUEDE SER UN POZO, UN CÁRCAMO CIRCULAR, UN CARCAMO RECTANGULAR, UNA LAGUNA, UN RÍO O UNA PRESA, UN TUBO VERTICAL, UN DEPÓSITO CILINDRICO, ETC. •DISTANCIA MAXIMA DE LA SUCCIÓN AL FONDO DE LA ESTRUCTURA DE TOMA, •EN CASO DE INSTALACION MÚLTIPLE, DISTANCIA ENTRE BOMBAS

DISEÑO DE CARCAMOS EJEMPLO DE CARCAMO RECTANGULAR CON 3 BOMBAS

VISTA EN PLANTA

VISTA EN ELEVACIÓN

DISEÑO DE CARCAMOS QUE PUEDE OCURRIR CUANDO NO SE TIENE UN BUEN DISEÑO DE LA TOMA DE SUCCIÓN?

•Desempeño hidráulico pobre •Cavitación •Vibración •Ruido •Fallas general

FENOMENOS COMO ESTOS HAN VENIDO SUCEDIENDO CON ALGUNA FRECUANECIA. TRATANDO DE FACILITAR LOS DISEÑOS Y EVITAR FALLAS MUY COSTOSAS E IRREPARABLES, FAIRBANKS MORSE PUMP HA INVERTIDO RECURSOS PARA EL DESARROLLO DE TECNOLOGIA, ESTANDARES Y DE PRODUCTOS QUE CONTRIBUYEN A DAR SEGURIDAD PARA EL ESTABLECIMIENTO DE INSTALACIONES EXITOSAS.

DISEÑO DE CARCAMOS UNA CONSULTA ESCENCIAL PARA DISEÑAR SISTEMAS DE BOMBEO ES EL ESTÁNDAR ANSI/HI 9.8 DEL INSITUTO DE HIDRÁULICA PARA DISEÑO TOTAL DE ESTRUCTURAS DE TOMA DE SISTEMAS DE BOMBEO:

DISEÑO DE CARCAMOS ALGUNOS DE LOS PRODUCTOS DESARROLLADOS E INTEGRADOS DENTRO DEL ESTANDAR ANSI/HI 9.8 SON;

Toma de succión Formada FSI 10 Con este sistema de toma de succión para bombas de grandes flujos se logra tener una entrada a la bomba libre de turbulencia y remolinos

DISEÑO DE CARCAMOS ALGUNOS DE LOS CONCEPTOS DE DISEÑO DESARROLLADOS E INTEGRADOS DENTRO DEL ESTANDAR ANSI/HI 9.8 SON;

CARCAMO HUMEDO CIRCULAR

Cárcamo de Bombeo de Agua residual tipo Duplex Tubo de llegada a nivel bajo para evitar efectos de cascada Área de fondo reducida para evitar acumulamiento de sólidos

DISEÑO DE CARCAMOS NUEVA TECNOLOGIA EN DISEÑO DE CÁRCAMOS DE AGUA RESIDUAL VISTA EN PLANTA DE DOS BOMBAS – ORIENTACION TUBO ENTRADA Y DE BOMBAS

DISEÑO DE CARCAMOS NUEVA TECNOLOGIA EN DISEÑO DE CÁRCAMOS DE AGUA RESIDUAL CODO DE SUCCIÓN TIPO “TURBO FREE ELBOW”

APLICACIÒN EN BOMBAS CENTRÍFUGAS VERTICALES DE CÁRCAMO SECO

DISEÑO DE CARCAMOS NUEVA TECNOLOGIA EN DISEÑO DE CÁRCAMOS DE AGUA RESIDUAL CODO DE SUCCIÓN TIPO “TURBO FREE ELBOW” MODELO HIDRÁULICO

MEJOR DESEMPEÑO HIDRÁULICO QUE UN CODO DE SUCCIÓN DE RADIO LARGO, CON REQUERIMIENTO DE ESPACIO MENOR AL DE UN CODO DE RADIO CORTO CON UNA REDUCCIÓN

ESTACION DE BOMBEO DE AGUA RESIDUAL CON UN BUEN DISEÑO

OPERA CON (3) BOMBAS FAIRBANKS MORSE PARA MANEJO DE SÓLIDOS, DE 300 HP C/U

CASO REAL REPOSICIÓN DE BOMBAS CON RESULTADOS SORPRENDENTES

CASO REAL EN LA CIUDAD DE TAMPICO TAMAULIPAS, LA COMAPA, ORGANISMO OPERADOR DE LA ZONA CONURBADA DE TAMPICO Y CD. MADERO, DECIDIÓ REEMPLAZAR DOS BOMBAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA LIMPIA EN UN SECTOR URBANO LLAMADO MIRAMÁPOLIS. Operación simple: Intermitente, toman agua potable de una cisterna subterránea y la descargan a un tanque elevado a corta distancia. Datos de bomba: Modelo: 10D-7000 2 pasos, 45 LPS a 25 M CDT Eficiencia: 76%, Motor 20 hp.

CASO REAL Tabla comparativa Consumos mensuales en KW-H AÑO 2009/2010

2008/2009

Diferencia

MES

Porcentaje Reducción

Octubre

7585

11528

-3943

34.2%

Noviembre

7435

11922

-4487

37.6%

Diciembre

5833

9599

-3766

39.2%

Enero

6260

10394

-4134

39.8%

Febrero

5558

10519

-4961

47.2%

Marzo

5250

10518

-5268

50.1%

Abril

6497

12613

-6116

48.5%

Mayo

6290

11817

-5527

46.8%

Junio

8342

12016

-3674

30.6%

Julio

6734

13214

-6480

49.0%

A UN COSTO PROMEDIO DE $1.30 POR kw-H EL PERIODO DE PAGO ES MENOR A 34 MESES

Monto neto antes del IVA $16,390.00

Monto neto antes del IVA

$10,309.00

Bombas de Alta Eficiencia

EFICIENCIA DE LAS BOMBAS FAIRBANKS MORSE

Como se mencionó antes, Fairbanks Morse ha puesto su empeño en desarrollar Equipos de alta Eficiencia tanto en el manejo de aguas clara como en el manejo de sólidos en aguas residuales. Contrario a la creencia generalizada de que las bombas para agua residual siempre tienen menor eficiencia que las bombas de agua clara, con los desarrollos modernos de equipos para agua residual de Fairbanks Morse, esta creencia resulta inexacta. Actualmente se pueden obtener prácticamente el mismo nivel de eficiencias.

EFICIENCIA DE LAS BOMBAS FAIRBANKS MORSE

A continuación se mencionan dos nuevas líneas de productos de Fairbanks Morse del tipo de turbina vertical, que ofrecen a los usuarios características de alta eficiencia y alta durabilidad mediante el uso de materiales de fabricación de alta calidad. 1. Programa de entrega rápida de equipos de turbina vertical en modelos mas comúnmente utilizados, cubriendo un rango de flujo de 30 a 400 LPS y cargas hasta de 350 metros C.A. En la siguientes tablas se muestran los modelos, sus características y los materiales de fabricación estándar de los equipos incluidos en este programa, con entregas de dos semanas para los ensambles de cuerpos de tazones.

•Los modelos de la lista anterior tiene un tiempo de entrega de 2 semanas puestas en nuestra planta.

•Los siguientes materiales de fabricación son estándar

EFICIENCIA DE LAS BOMBAS FAIRBANKS MORSE

2. Desarrollo de Bombas de Turbina vertical de la serie HRO cuya característica principal es la capacidad de descargar a muy alta presión con alta eficiencia, tal como lo requieren los procesos de tratamiento de agua mediante tecnología de Osmosis inversa.

En la siguientes laminas se muestran curvas, dibujos y materiales de fabricación de esta nueva línea de equipos.

Instalaciones de Prueba de Modelos a Escala Tanque de Succión

Selección de Bombas de Turbina Vertical

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN TURBINA VERTICAL SE MENCIONA UNA SERIE DE OCHO PASOS A SEGUIR PARA UNA CORRECTA SELECCIÓN DE UNA BOMBA. PRIMER PASO OBTENER LAS CONDICIONES HIDRÁULICAS DE DISEÑO:

•Punto de operación: Gasto y Carga dinámica •Conjunto de bombas en paralelo ? En Serie ? •Variación en condiciones de operación? Deberá aplicarse la teoría y los procedimientos indicados para esto cálculos, tal como se vio en este seminario el día de ayer con el Ing. Ramón Rosas.

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN TURBINA VERTICAL

SEGUNDO PASO FORMA Y DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE INSTALACION DE LA(S) BOMBA(S): •Pozo profundo: profundidad, nivel de agua estático, nivel de agua dinámico, diámetro de tubo de ademe? •Cárcamo de bombeo ó toma de laguna, río o presa: forma? circular (diámetro), rectangular (ancho x largo), profundidad? Espacio para la instalación de la bomba? •Dimensiones, elevación y condiciones de la tubería de descarga ? En su caso de la tubería de succión?

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN TURBINA VERTICAL

SEGUNDO PASO FORMA Y DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE INSTALACION DE LA(S) BOMBA(S): Fairbanks Morse ha puesto énfasis en la importancia de el correcto diseño de los cárcamos o estaciones de bombeo para el correcto funcionamiento de los equipos de bombeo. Por mas que una bomba cumpla con un magnífico desempeño en su prueba de fábrica, si el entorno de instalación no cumple con un diseño correcto desde el punto de vista hidráulico el sistema tendrá un desempeño pobre.

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN TURBINA VERTICAL PERDIDAS POR FRICCION DE LA LINEA

SEGUNDO PASO FORMA Y DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE INSTALACION DE LA(S) BOMBA(S):

CARGA SOBRE LINEA DE DESCARGA

NIVEL ESTATICO

NIVEL DE INSTALACIO N

NIVEL DE BOMBEO

LONGITUD TOTAL DE LA BOMBA

SUMERGIMIENTO

CARGA DINAMICA TOTAL ESPECIFICADA CARGA BAJO LINEA DE DESCARGA

ABATIMIENTO

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN TURBINA VERTICAL

REQUERIMIENTOS DEL USUARIO TERCER PASO CUESTIONARIOS PARA RECOPILACIÓN DE INFORMACIÒN Datos de ejemplo

1. Cantidad Requerida

3

2. Fecha Requerida de instalación

4 semanas

3. Tipo de Accionador: Motor eléctrico, reductor, motor de combustión, poleas y bandas, velocidad

Electrico, 1800 RPM

4. Suministro de Potencia disponible: Eléctrica: Fases / Frecuencia / Voltaje Mecánica: Tipo motor, combustible, embrague,..

3/60/440

5. Tipo de descarga: Sobre superficie, bajo superficie, elevación, brida, extremo liso?

Brida sobre superficie

6. Tipo de lubricación: con agua bombeada, con aceite, agua a presión, otra.

Agua bombeada

7. Posición de instalación de la bomba y largo total, espesor de tubo de columna.

115 m. / 0.25 pulg.

8. En su caso Longitud de tubo de succión.

0 mt

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN TURBINA VERTICAL CONDICIONES DE OPERACIÓN DE LA BOMBA

TERCER PASO CUESTIONARIOS PARA RECOPILACIÓN DE INFORMACIÒN Datos de ejemplo

9. Flujo de diseño ( Litros / segundo)

100

10. Elevación de la conexión de descarga de la instalación, (metros sobre nivel del mar)

150 metros

11. Nivel de agua a la capacidad de diseño, (Nivel de bombeo dinámico, metros abajo de nivel del punto anterior)

85 metros

12. Pérdidas de carga por fricción y forma, en tubo de conducción sobre el nivel de la descarga, incluyendo carga de velocidad.

8 metros

13. Carga estática total de la bomba, suma de carga sobre nivel de conexión de descarga mas carga de punto 11.

105 metros

13. Rango de Operación, en su caso, Carga total mínima y carga total máxima

No hay variación

14. Cualquier otra condición de operación que pueda influir en la operación.

No hay

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN TURBINA VERTICAL CONDICIONES DEL POZO RPOFUNDO ( EN SU CASO)

TERCER PASO CUESTIONARIOS PARA RECOPILACIÓN DE INFORMACIÒN Datos de ejemplo

15. Diámetro interior mínimo del pozo, ademe

14 pulgadas

16. Diámetro de tazón máximo permitido

10”

17. Profundidad total del pozo

150 metros

18. Es el pozo razonablemente recto?

Pruebas disponibles

19. Nivel de carga estática del agua por debajo de la conexión de descarga de la bomba

70 metros

20. Arena en el agua?

no

21. Gas en el agua?

no

22. Otras condiciones inusuales?

no

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN TURBINA VERTICAL REQUERIMIENTO DE ACCESORIOS

TERCER PASO CUESTIONARIOS PARA RECOPILACIÓN DE INFORMACIÒN Datos de ejemplo

23. Brida de descarga compañera?

SI

24. Colador de succión requerido? Material? Tipo?

SI / tipo cónico, acero

25. Lubricador requerido?

no

26. Controles automáticos requeridos?

Control nivel

27. Válvula de expulsión de aire requerida?

si

28. Placa base de la bomba?

si

21. Accesorios del Motor: Calentadores de espacio Freno de contra - vuelta Aislamiento especial Operación con variador de frecuencia Otros

Freno y calentador es de espacio

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN TURBINA VERTICAL

CUARTO PASO SELECCIÓN DE TAMAÑO DE BOMBA (ENSAMBLE DE TAZONES •Con la información del Punto de operación: Gasto y Carga dinámica analizar las posibilidades disponibles, ahora existen posibilidades de software, • La selección será en función de diámetro de tazones, eficiencia, número de pasos, espacio disponible, diámetro de columna, velocidad, etc. • La selección deberá buscar, mayor eficiencia, con menor número de tazones, con velocidad deseada.

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN TURBINA VERTICAL CUARTO PASO, SELECCIÓN DE TAMAÑO DE BOMBA (ENSAMBLE DE TAZONES

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN TURBINA VERTICAL QUINTO PASO SELECCIÓN DE LA COLUMNA VERTICAL DE DESCARGA

•El parámetro a seleccionar es el diámetro y el espesor de pared de la tubería con la que se forma la columna de descarga. • Será un resultado de analizar la comparación de un menor diámetro, con un menor costo inicial contra un mayor consumo de energía por pérdidas por fricción. • Si la amortización del costo excedente inicial por un mayor diámetro, no se justifica con el ahorro en energía entonces será conveniente un diámetro menor •Una vez seleccionado el diámetro de la columna, se compara contra el diámetro de salida del tazón seleccionado

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN TURBINA VERTICAL SEXTO PASO : SELECCIÓN DEL EJE DE LINEA DE LA COLUMNA

•El parámetro a seleccionar es el diámetro del eje. • El diámetro dependerá de la potencia a transmitir, la carga axial o empuje a resistir por el peso de la misma flecha y los tazones. • Si la longitud del eje es mayor a 15.0 metros, se deberá analizar la elongación o deformación de la flecha. •El fabricante de la bomba deberá indicar la elongación máxima permitida para cada tazón específico.

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN TURBINA VERTICAL SEXTO PASO : SELECCIÓN DEL EJE DE LINEA DE LA COLUMNA

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN TURBINA VERTICAL SEPTIMO PASO : SELECCIÓN DEL MOTOR

•El motor eléctrico se seleccionará en base a la velocidad de rotación, a la potencia requerida y al empuje o carga axial total calculada para la bomba.

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN TURBINA VERTICAL OCTAVO PASO : SELECCIÓN DEL CABEZAL DE DESCARGA •El Tamaño del cabezal de descarga dependerá del tamaño de armazón del motor, del peso suspendido, de la presión de descarga y de la capacidad bombeada. • Normalmente se selecciona en base al diámetro de la columna vertical de la bomba y al tamaño de la base del motor. •Si la longitud de la columna es mayor a 100 metros, entonces se deberá tomar en cuenta la carga total colgante del cabezal de descarga y comparar contra el dato de capacidad dado por el fabricante. •El peso colgante total es la suma de los pesos del cuerpo de tazones, del tubo de columna, de los acoplamientos de columna, flecha de línea y sus acoplamientos, tubo de cubierta de flecha y sus acoplamientos (en su caso), chumaceras y soportes de chumaceras y el mismo cabezal de descarga. La suma total se comparará con el dato publicado por el fabricante.

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN TURBINA VERTICAL

• Es recomendable recopilar la mayor información posible para obtener una buena selección de una bomba. • Al momento de seleccionar también es recomendable verificar la selección con un fabricante calificado que en todos los casos otorgue las garantías de funcionamiento de los equipos a instalar.