OPERACIONES UNITARIAS 1 PROF. PEDRO VARGAS UNEFM DPTO. ENERGÉTICA

OPERACIONES UNITARIAS 1  PROF. PEDRO VARGAS  UNEFM  DPTO. ENERGÉTICA  Disponible en: www.operaciones1.wordpress.com    BOMBAS CENTRIFUGAS    1. Intr

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OPERACIONES UNITARIAS 1  PROF. PEDRO VARGAS  UNEFM  DPTO. ENERGÉTICA  Disponible en: www.operaciones1.wordpress.com   

BOMBAS CENTRIFUGAS   

1. Introducción  Las bombas son dispositivos utilizados para que impulsen  líquidos a través de sistemas de tuberías. Para ello deben  movilizar  la  cantidad  de  caudal  requerido  además  de  vencer la carga que el sistema le impone.    Partes de la bomba  La bomba está constituida a grandes rasgos por el motor,  Este  dispositivo  genera  el  movimiento  partiendo  de  una  fuente de energía que puede ser un combustible o alguna  toma de electricidad directa. El movimiento generado en  el motor es transmitido al impulsor por medio del eje, el  cual hace girar al impulsor. Este dispositivo se encarga de  suministrarle  la  energía  que  viene  desde  el  motor  por  el  eje  al  fluido,  impartiéndole  un  giro  por  el  cual  se  le  entrega energía al fluido en forma de energía cinética.   

Figura 3. Voluta. 

Motor Eje

Descarga

Voluta

Figura 1. Bomba centrifuga.   

  Figura 2. Impulsor de una bomba centrifuga.   

Voluta:  En  este  dispositivo,  el  fluido  con  alta  energía  cinética  por  efecto  del  movimiento  a  la  salida  del  impulsor es transformada en energía de presión.   

 

  2. Clasificación  De  acuerdo  a  la  dirección  del  flujo  respecto  al  impulsor,  las  bombas  pueden  ser  clasificadas  en  bombas  de  Flujo  radial,  mezclado  o  axial.  Esta  clasificación  puede  ser  realizada  en  función  de  un  parámetro  muy  importante  como lo constituye la velocidad específica de la bomba en  las condiciones BEP.    N Q Ns  3 / 4     h Donde:  Q[GPM]  Caudal manejado por la bomba.  N[RPM]   Velocidad de giro del impulsor.  h[pies]    Cabezal desarrollado por la bomba.    500‐5000 RPM    Flujo Radial  5000‐10000 RPM  Flujo mezclado  10000‐15000 RPM  Flujo axial    Otro  parámetro  similar  es  lo  que  se  conoce  como  la  velocidad  específica  de  succión.  Este  parámetro  da  información  acerca  de  la  posibilidad  de  cavitar  de  la  bomba.  N Q Ns    NPSHR 3 / 4

La cavitación es la formación de burbujas en el seno de la  fase liquida, por efecto de bajos valores de presión a la 

succión de la bomba. Se recomienda NS  NPSHR.  Dependiendo  de  lo  crítico  del  proceso  se  puede  Cuando  la  energía  entregada  por  la  bomba  al  fluido  es  expresada  en  unidades  de  potencia,  el  parámetro  es  especificar  que  esta  desigualdad  sea  desde  un  10  hasta  conocido como Potencia hidráulica (Ph) de la bomba  un 100%.      NPSHD> 1,10 NPSHR  Ph  hB Q     Donde  3 Leyes de afinidad  Q:  Caudal manejado por la bomba [m /s]  Cuando una bomba cambia algunos de sus parámetros de    operación,  se  plantea  la  interrogante  de  cómo  se  Tomando  en  consideración  que  hay  pérdidas  de  energía  comportaran  o  impactara  e  cambio  sobre  el  resto  de  las  en  el  interior  de  la  bomba  por  efecto  de  la  fricción  y  la  variables.  turbulencia, en la práctica se requiere más potencia para  Para  este  caso,  existen  relaciones  matemáticas  que  nos  impulsar  la  bomba  que  la  que  efectivamente  se  le  ayudan a predecir la forma como impactaran los cambios  transmite al fluido. Por esta razón, la potencia que recibe  en  una  variable  operacional  sobre  el  resto.  Estas  la bomba, es conocida como Potencia al freno (BHP).  relaciones  matemáticas,  son  conocidas  como  Leyes  de    Afinidad .  P   h x100%     PBHP De  acuerdo  a  la  variable  que  se  modifica,  pueden  ser    clasificadas como: cuando la velocidad varía  Cabezal neto de succión disponible (NPSHR)  2 3 ha1  N1  Pa1  N1  Q 1 N1 Este  parámetro,  representa  la  energía  con  que  llega  el                 fluido  a  la  succión  de  la  bomba.  Es  deseable  que  a  la  Q 2 N2 ha2  N2  Pa2  N2  succión  de  la  bomba  la  energía  no  sea  demasiado  baja,    específicamente  el  termino  de  presión,  ya  que  si  esto  Cuando el diámetro del impulsor varía  sucede,  parte  del  liquido  que  es  bombeado,  puede 

2

ha1  D1      ha2  D2 

3

 

Pa1  D1      Pa2  D2 

  Donde  1:   Condiciones de operación en el caso 1.  2:   Condiciones de operación en el caso 2.  ha:  Cabezal desarrollado por la bomba.  Pa1:  Potencia consumida por la bomba.  D:  Diámetro del impulsor de la bomba.  N:  Velocidad de rotación del impulsor.  Q:  Caudal impulsado por la bomba.    La  velocidad  permanece  casi  constante  para  cambios  en  la  velocidad  y  cuando  los  cambios  en  el  diámetro  del  impulsor son pequeños.    Curvas características de las bombas  Las  curvas  características  de  las  bombas,  representan  el  comportamiento de los parámetros de las bombas para el  rango de caudales que estas manejen (Figura 5).   

Carga total (pies)

Q 1 D1    Q 2 D2

Capacidad de la bomba (GPM) Figura 6. Curva cabezal vs capacidad 

 

  Con  frecuencia  para  una  misma  bomba  con  diferentes  tamaños  de  impulsor,  las  curvas,  son  mostradas  en  una  misma  figura  (Figura  7).  Se  puede  observar  como  a  medida  que  el  impulsor  tiene  un  diámetro  mayor,  la  misma bomba puede desarrollar un cabezal más alto a las  mismas condiciones de caudal. 

Carga total (pies)

Potencia (Hp) Capacidad (GPM)

Capacidad

 

Figura 5. Curvas características de bombas.    Curva cabezal vs capacidad  Es la primera de las curvas características que se estudian.  Muestra el comportamiento del cabezal desarrollado por  la  bomba  a  medida  que  se  varía  el  caudal  manejado.  En  esta  curva  característica,  a  medida  que  se  incrementa  el  caudal  manejado  por  la  bomba,  disminuye  el  cabezal  desarrollado por esta (Figura 6).    La  forma  como  cae  el  cabezal  a  medida  que  aumenta  el  caudal  depende  en  particular  de  cada  bomba,  existen  unas  bombas  de  pendientes  pronunciadas,  en  las  que  para  pequeñas  variaciones  de  caudal  reflejan  altas  variaciones en el cabezal desarrollado, y existen curvas de  comportamiento más estable.   

Figura 7. Curva cabezal vs capacidad para diferentes  diámetros de impulsor 

 

  Curvas de eficiencia  Las  curvas  de  eficiencia  muestran  el  comportamiento  de  la  eficiencia  de  la  bomba  en  una  región  determinada  (Figura  8).  Es  deseable  que  se  opere  en  la  región  de  los  puntos de mejor eficiencia de la bomba 

Carga total (pies)

Carga total (pies)

Eficiencia

Carga

Capacidad (GPM)

Figura 8. Curvas de eficiencias para las bombas 

 

Carga total (pies)

Carga total (pies)

Curvas de potencia  

Capacidad (GPM)

Figura 9. Curvas de potencias para las bombas 

Capacidad (GPM)

 

 

  Con  frecuencia,  todas  las  figuras  mostradas  anteriormente, son presentadas en una figura única, de la  siguiente forma:   

Carga total (pies)

  Curvas de NPSHR  En estas curvas se especifican los requerimientos de la  bomba relativos a la energía necesaria del fluido a la  succión de la bomba para evitar cavitación. 

Figura 9. Curvas de NPSHR para las bombas 

Capacidad (GPM) Figura 10. Curva característica de una bomba    Bombas en serie y paralelo   Cuando dos bombas o más operan de manera simultánea  el  nuevo  sistema,  tiene  una  característica  de  operación  que  tiene  una  relación  directa  con  las  características  individuales  de  cada  bomba  y  con  la  forma  como  estén  dispuestas.    El  primer  arreglo  que  estudiaremos  es  un  sistema  de  bombas  en  serie.  Para  este  arreglo  la  descarga  de  una  bomba se conecta a la succión de la otra. Por esta razón  ambas bombas manejan el mismo caudal. 

 

  Figura 12. Sistema de bombas en serie    Dado  que  las  bombas  están  una,  a  continuación  de  la  otra,  el  cabezal  total  desarrollado  por  el  arreglo  es  la  suma del cabezal que incrementa cada bomba, lo cual es  mostrado en la figura 13.    h T  h B1  h B 2  

Q T  Q B1  Q B 2    

Carga total (pies)

Curva del sistema   Supongamos  que  se  quiere  determinar  los  requerimientos energéticos de una bomba que opera en  un sistema como el mostrado en la figura 16.  

Capacidad

Figura 13. Curva de operación de bombas en serie 

 

  El  otro  sistema  que  comúnmente  se  utiliza,  es  el  arreglo  de bombas en paralelo (Figura 14). En este caso el caudal  total  manejado  por  el  sistema,  es  la  contribución  de  los  caudales individuales de cada bomba. Y dado que tienen  succión  y  descargas  unidas,  necesariamente,  el  cabezal  desarrollado por cada una de las bombas, debe ser igual.    Q T  Q B1  Q B 2   h T  h B1  h B 2     De  esta  forma,  el  comportamiento  del  arreglo  como  un  sistema, se puede representar mediante la figura 15. 

Q1 QT

QT Q2

Carga total (pies)

Figura 14. Sistema de bombas en paralelo   

  Figura 16. Sistema de bombeo.    Para  ello  se  escribe  la  ecuación  de  Bernoulli  entre  los  puntos 1‐4 de sistema.    P1 V2 P V2  z1  1  hB  4  z 4  4  hL  hK    2g  2g P hB   z  hL  hK      El  termino  hB,  despejado  del  balance  de  Bernoulli,  se  conoce como el cabezal del sistema. Visto desde el punto  de vista del sistema, es el cabezal que este  necesita de la  bomba  para  cumplir  con  las  condiciones  especificadas  entre los puntos 1‐4.   De  acuerdo  al  balance  de  la  ecuación  de  Bernoulli,  encontramos  que  el  cabezal  de  la  bomba  obtenido  de  la  ecuación  del  sistema,  contiene  dos  contribuciones  que  podríamos diferenciar. La primera, que no depende de la  velocidad y el caudal del sistema, y la otra que si depende  de esta.  La  contribución  que  no  depende  del  caudal,  se  conoce  como  cabezal  estático,  y  la  que  depende  del  caudal,  se  conoce  como  cabezal  friccional.  Este  último,  depende  esencialmente de las pérdidas de energía del sistema, las  cuales se incrementan a medida que sucede lo mismo con  el caudal del sistema (Figura 17).    3 Si el sistema presenta el mismo diámetro de la tubería,  podemos  reescribir  la  expresión  para  el  cabezal  del  sistema de la siguiente forma:     Q 2   L  P L hB  f  fT    K     z  2      2gA   D   D  Eq  2 P Q hB   z  KT    2gA 2



Capacidad

Figura 15. Curva de operación de bombas en paralelo 

 

Friccional

Carga total (pies)

Cabezal del sistema (hBsist)

Punto de operación del sistema  El  punto  de  operación real, entre la bomba y el sistema,  tendrá  lugar  en  el  punto  donde  se  intercepten  la  curva  cabezal vs caudal de la bomba (curva característica), con  la curva de cabezal del sistema.   

Estático

Caudal (Q) Figura 17. Cabezal del sistema. 

 

  Donde  KT  es  el  coeficiente  de  resistencia  de  toda  la  tubería con accesorios.     L  L K T   f    fT    K   D   D  Eq    



Curva de  la bomba Punto de  operación Curva del  sistema

Capacidad de la bomba (GPM)  

 

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