MECÁNICA DE FLUIDOS 2014-1

MECÁNICA DE FLUIDOS 2014-1

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

MSC ALFONSO FLORES CARRILLO

Transporte de Fluidos TODA INDUSTRIA TIENE LA NECESIDAD DEL TRANSPORTE DE FLUIDOS, DONDE LOS PRINCIPIOS EMPLEADOS SON:

GRAVEDAD

DESPLAZAMIENTO

FUERZA CENTRÍFUGA

IMPULSO MECÁNICO, ETC

2

Ej: Desplazamiento de fluido

3

¿Cuál es la bomba más común?

4

DESPLAZAMIENTO POSITIVO

7

SON EQUIPOS DONDE UNA CANTIDAD DISCRETA DE FLUIDO, ENTRA EN UNA CÁMARA LA CUAL ES LLENADA DESDE LA SUCCIÓN Y VACIADA DESDE LA DESCARGA.

TÍPICAMENTE PARA FLUIDOS VISCOSOS Y REQUERIMIENTOS DE ALTAS PRESIONES Y BAJOS CAUDALES, ADEMÁS SIRVE PARA GASES DISUELTOS EN LÍQUIDOS.

EL CAUDAL ES INDEPENDIENTE DEL ∆P.

EJEMPLOS DE ESTAS BOMBAS SON LOS SISTEMAS RECÍPROCOS Y ROTATORIOS.

EN LAS BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO EL FLUIDO QUE SE DESPLAZA ESTA CONTENIDO ENTRE EL ELEMENTO IMPULSOR QUE PUEDE SER UN ÉMBOLO, UN DIENTE DE ENGRANAJE, UNA PALETA, ETC., Y LA CARCAZA O EL CILINDRO. SE DIVIDEN EN 2 GRUPOS: LAS BOMBAS ROTATORIAS Y LAS BOMBAS RECÍPROCAS.

BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

BOMBAS ROTATORIAS:

LAS BOMBAS ROTARIAS ATRAPAN EL LÍQUIDO Y LO EMPUJAN CONTRA LA CARCAZA MANTENIENDO UN FLUJO CONSTANTE. SE PUEDEN UTILIZAR EN LA DOSIFICACIÓN DE EFLUENTES, EN EL BOMBEO DE RESIDUOS VISCOSOS, ASÍ COMO PARA LA INTRODUCCIÓN DE REACTANTES Y CATALIZADORES EN UN REACTOR. ESTE TIPO DE BOMBAS PUEDEN MANEJAR LÍQUIDOS DE DIFERENTES VISCOSIDADES, ASÍ COMO LÍQUIDOS QUE CONTENGAN AIRE O VAPOR.

NO PUEDEN TRABAJAR CON LÍQUIDOS ABRASIVOS YA QUE ESTOS PUEDEN OCASIONAR UN DESGASTE PREMATURO EN LAS PIEZAS INTERNAS, ENTRE LAS BOMBAS ROTATIVAS TENEMOS.

EXISTEN BOMBAS DE ENGRANAJE, BOMBAS DE LÓBULO Y BOMBAS DE TORNILLO.

8

1- BOMBAS DE ENGRANAJE:

LA BOMBA DE ENGRANAJE ES LA MÁS EMPLEADA ENTRE LAS BOMBAS ROTATIVAS. PARA FLUIDOS DE ALTA Y BAJA VISCOSIDAD, USADOS EN OSMOSIS INVERSA, LUBRICACIÓN Y DOSIFICACIÓN

SU FUNCIONAMIENTO CONSISTE EN DOS RUEDAS DENTADAS QUE OPERAN DENTRO DE UNA CARCASA.

EL LÍQUIDO ES TRANSPORTADO EN EL ESPACIO COMPRENDIDO ENTRE DOS DIENTES CONSECUTIVOS Y LA CARCASA Y ES DESPLAZADO HACIA LA ZONA DE DESCARGA.

SU RANGO DE APLICACIÓN ES PARA CAUDALES MENORES DE 6 [M3/MIN] Y CON UN ΔP ENTRE 250-150 [ATM] Y NO ESTÁN DISEÑADAS PARA TRANSPORTAR SÓLIDOS.

9

BOMBAS ROTATORIAS

2-BOMBA DE LÓBULO:

LA BOMBA DE LÓBULO OPERA DE FORMA SIMILAR A LA BOMBA DE ENGRANAJES.

PRESENTA UNOS ROTORES QUE GIRAN EN EL SENTIDO DE LAS AGUJAS DEL RELOJ Y PUEDEN TENER DOS, TRES O MÁS LÓBULOS.

EL FLUIDO ES CONDUCIDO A LOS ALREDEDORES POR LA CAVIDAD QUE SE FORMA ENTRE LÓBULOS SUCESIVOS.

ESTAS BOMBAS TIENEN LA PARTICULARIDAD DE SER REVERSIBLES Y SON MUY UTILIZADAS EN LAS TRANSMISIONES HIDRÁULICAS. SIRVEN PARA FLUIDOS QUE CONTIENEN GASES.

10

BOMBAS ROTATORIAS

3- BOMBA DE TORNILLO:

ESTAS BOMBAS PUEDEN SER DE UNO O VARIOS TORNILLOS. EL ROTOR CENTRAL SE UNE FUERTEMENTE CON LOS ROTORES LIBRES CREANDO UNA CAVIDAD DENTRO DE LA ESTRUCTURA QUE SE MUEVE EN FORMA AXIAL DESDE LA SUCCIÓN HASTA LA DESCARGA PROPORCIONANDO UN FLUJO UNIFORME Y CONTINUO. LAS PRESIONES DE OPERACIÓN PUEDEN LLEGAR A LAS 70 [ATM]. PARA FLUIDOS VISCOSOS CON ALTO CONTENIDO DE SÓLIDOS. USADAS EN LA INDUSTRIA DE LA CELULOSA, PINTURA, ALIMENTOS.

11

BOMBAS ROTATORIAS

1 -BOMBAS RECÍPROCAS:

LAS BOMBAS RECÍPROCAS O ALTERNATIVAS SON BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO QUE DESCARGAN UNA CANTIDAD DEFINIDA DE LÍQUIDO DURANTE EL MOVIMIENTO DEL PISTÓN O ÉMBOLO A TRAVÉS DE LA DISTANCIA DE LA CARRERA. ESTE TIPO DE BOMBAS SE USAN PARA TRANSPORTAR LÍQUIDOS CON CAUDALES PEQUEÑOS MENORES DE 40 [LPM]Y ΔP ENTRE 50 -350 [ATM].

EN GENERAL SE SUELEN UTILIZAR EN EL TRANSPORTE DE LÍQUIDOS VISCOSOS, CON LOS CUALES LAS BOMBAS CENTRIFUGAS NO SON MUY EFICACES. SU DESVENTAJA ES QUE EL FLUJO NO ES CONTINUO, ENTRE LAS BOMBAS RECIPROCANTES TENEMOS BOMBAS DE PISTÓN O ÉMBOLO Y BOMBAS DIAFRAGMA.

12

2) BOMBAS RECÍPROCAS

BOMBAS RECÍPROCAS BOMBAS DE PISTÓN:

EN ESTAS BOMBAS EXISTEN VÁLVULAS DE SUCCIÓN Y DESCARGA QUE REGULAN EL MOVIMIENTO DEL LÍQUIDO A TRAVÉS DE LA CÁMARA DE TRABAJO. MIENTRAS EL ÉMBOLO SE ESTÁ LLENANDO DE LÍQUIDO, LA VÁLVULA DE SUCCIÓN PERMANECE ABIERTA Y LA VÁLVULA DE DESCARGA CERRADA, INVIRTIÉNDOSE LA POSICIÓN DE LAS VÁLVULAS DURANTE EL DESALOJO DEL LÍQUIDO. PRESIONES TÍPICAS DE 140 [BAR], HIGIÉNICAS, USADAS EN EL TRANSPORTE DE FRUTAS, INDUSTRIA FARMACEÚTICA, PASTELERÍA.

13

BOMBAS ROTODINÁMICAS

14

CONSTAN DE UN ELEMENTO ROTOR O RODETE EL CUAL IMPARTE VELOCIDAD AL FLUIDO GENERANDO PRESIÓN. PUEDEN SER CENTRÍFUGAS, DE FLUJO AXIAL, DE FLUJO MIXTO Y MULTIETAPAS O PERIFÉRICAS.

15


BOMBAS PERIFÉRICAS:

BOMBAS USADAS PARA GENERAR GRANDES ALTURAS A BAJOS CAUDALES, ADEMÁS DE TRABAJAR CONVENIENTEMENTE CON FLUIDOS LIMPIOS. POR EJEMPLO UNA BOMBA DE 0,5 [HP] ES CAPAZ DE GENERAR PRESIONES DE 6[Bar] A UN FLUJO DE 4 [m3/h]. SON DE MAYOR VALOR QUE LAS CENTRÍFUGAS. USOS EN JARDINERÍA O CALDERAS.

16


17

BOMBAS CENTRÍFUGAS

FLUJO AXIAl: GRANDES CAUDALES POCA ALTURA (30-40 [ft]), TÍPICAMENTE USADAS PARA MANIPULACIÓN DE AGUAS RESIDUALES, REGADÍOS.

RADIAL: SON LAS MÁS UTILIZADAS, SIRVEN PARA TODO TIPO DE SERVICIOS MENOS PARA FLUIDOS VISCOSOS. GENERAN MAYORES ALTURAS QUE LAS AXIALES. PUEDEN TENER MÁS DE UNA ETAPA (PARA AUMENTAR LA ALTURA DE TRABAJO, DONDE EL MAXIMO TÍPICO ES 24.

18

BOMBAS CENTRÍFUGAS

Bombas Centrífugas

BOMBA ROTODINÁMICA QUE TRANSFORMA LA ENERGÍA MECÁNICA DE UN IMPULSOR EN ENERGÍA HIDRÁULICA.

EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO IMPLICA CONVERTIR LA ENERGÍA MECÁNICA PRIMERO EN VELOCIDAD Y LUEGO EN PRESIÓN.

19

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

20

Bomba Centrífuga

21

22

PARTES BOMBA CENTRÍFUGA

VOLUTA: CAJA DE LA BOMBA ENCARGADA DE DIRIGIR EL MOVIMIENTO DEL FLUJO Y TRANSFORMAR PARTE DE LA ENERGÍA CINÉTICA EN ENERGÍA EN FORMA DE PRESIÓN.

RODETE: ELEMENTO IMPULSOR, ES EL QUE COMUNICA LA ENERGÍA AL FLUIDO.

EJE: ELEMENTO QUE TRASNMITE LA ENERGÍA DESDE EL MOTOR AL RODETE.

23

PARTES BOMBA CENTRÍFUGA

Elección de Rodetes EXISTEN VARIOS TIPOS DE RODETES:

i. RODETES ABIERTOS (HASTA 100 PSI)

ii. RODETES SEMI-ABIERTOS, UN LADO CUBIERTO (MAYOR A 500 PSI)

iii. RODETES CERRADOS, AMBOS LADOS CUBIERTOS (100-500 PSI)

LA ELECCIÓN DEPENDERÁ DEL TIPO DE FLUIDO, SUS CARACTERÍSTICAS Y LOS REQUERIMIENTOS DE FLUJO Y PRESIÓN.

25

Tipos de rodetes de bombas centrífugas

26

DIFERENCIA ENTRE RODETES ABIERTOS:

MENOR OBSTRUCCIÓN

MENOR ROCE

MAYOR ACCESIBILIDAD

FACILIDAD DE CONSTRUCCIÓN

CERRADO:

MENOS POSIBILIDADES DE RETORNO DE FLUJO.

27

ÁLABES

PUEDEN SER CURVADOS HACIA ADELANTE O ATRÁS.

ÁLABES CURVADOS HACIA ADELANTE NO SE LOGRA TANTA ACELERACIÓN COMO LOS CURVADOS HACIA ATRÁS, PERO ES MÁS FÁCIL TRANSFORMAR LA ENERGÍA CINÉTICA EN ENERGÍA EN FORMA DE PRESIÓN.

CANTIDAD TÍPICA =4-16

28

Sellos de Bombas LAS BOMBAS PRECISAN DE SELLOS HIDRÁULICOS PARA IMPEDIR QUE LOS FLUIDOS QUE ESTÁN SIENDO IMPULSADOS SALGAN AL EXTERIOR DEL EQUIPO. ESTOS SELLOS SON PUEDEN SER MECÁNICOS O EMPAQUETADURAS

LOS SELLOS MECÁNICOS PUEDEN SER SIMPLES O DOBLES, Y PUEDEN TENER O NO, UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN.

29

PARA EVITAR EL ESCAPE DEL FLUIDO QUE SE BOMBEA A TRAVÉS DEL EJE, UN MÉTODO DE SELLADO ES USAR EMPAQUETADURAS.

EL MATERIAL DE LAS EMPAQUETADURAS PUEDE CONSISTIR DE ASBESTOS, GRAFITO O UN METAL BLANDO TRABAJADO SOBRE UN NÚCLEO DE ASBESTOS.

LOS MÁS UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA PETROQUÍMICA SON DE ASBESTO GRAFITADO

30

EMPAQUETADURAS

Empaquetaduras

31

CURVAS DE BOMBAS

33

Introducción LAS CARACTERÍSTICAS DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA PUEDE SER REPRESENTADAS GRÁFICAMENTE MEDIANTE LAS CURVAS DE CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBA.

MEDIANTE ESTAS CURVAS, EL PROVEEDOR DE LA BOMBA PUEDE ENTREGAR INFORMACIÓN AL CLIENTE RESPECTO DE EFICIENCIAS, CAUDALES, ALTURA A LEVANTAR, NPSH Y POTENCIA.

UNA CURVA TÍPICA MUESTRA:

ALTURA VERSUS CAPACIDAD

NPSH REQUERIDO

EFICIENCIA DE LA BOMBA.

POTENCIA

34

DETERMINACIÓN CURVA BOMBA

37

CURVA DE LA BOMBA

38

DONDE LA ALTURA ES LA ENERGÍA COMUNICADA AL FLUIDO . CAUDAL O CAPACIDAD: ES EL VOLUMEN DESPLAZADO POR UNIDAD DE TIEMPO.

VARIACIÓN CURVA DE LA BOMBA CON EL DIÁMETRO

39

Curva Altura vs Caudal PARA LA OBTENCIÓN DE LA CURVA CARACTERÍSTICA DE LA BOMBA, EL PROVEEDOR DESARROLLA PRUEBAS EXPERIMENTALES, DONDE SE REGULA EL % DE APERTURA DE LA VÁLVULA PARA DETERMINAR LA CURVA H VS Q. ESTA CURVA SE OBTIENE PARA UN DETERMINADO DIÁMETRO DE RODETE

40

CURVA BOMBA

41

CURVA BOMBA

42

CARTA PARA CORREGIR COEFICIENTES DE BOMBAS CENTRÍFUGAS, QUE OPERAN CON FLUIDOS MÁS VISCOSOS QUE EL AGUA

𝐶𝑞 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑

𝐶𝐻 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎

𝐶𝐸 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎

𝑄𝑣𝑖𝑠𝑐 = 𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝐶𝑞

𝐻𝑣𝑖𝑠𝑐 = 𝐻𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝐶𝐻

𝜂𝑣𝑖𝑠𝑐 = 𝜂𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝐶𝐸

43

Corregir con viscosidad Fluido viscoso

Q agua

H a

gua

Leer Factores de corrección

VELOCIDAD ESPECÍFICA EXISTE UN INDICADOR, LLAMADO VELOCIDAD ESPECÍFICA, EL CUAL SE CALCULA CON LA FINALIDAD DE TENER UNA IDEA GENERAL DEL TIPO DE BOMBA QUE SE DEBE SELECCIONAR EN UN SISTEMA DE BOMBEO.

LA VELOCIDAD ESPECÍFICA ES UN NÚMERO ADIMENSIONAL EL CUAL ES FUNCIÓN DEL CAUDAL, LA VELOCIDAD DE ROTACIÓN O RPM DEL MOTOR Y LA CARGA O ALTURA DE BOMBEO.

LA VELOCIDAD ESPECÍFICA NS DE UNA BOMBA SE EXPRESA EN EL SISTEMA INGLÉS, COMO:

44

VELOCIDAD ESPECÍFICA EN LA SIGUIENTE FIGURA SE MUESTRAN UNOS IMPULSORES TÍPICOS DE BOMBAS CENTRIFUGAS Y SUS CORRESPONDIENTES VELOCIDADES ESPECÍFICAS.

45

Gráfica que muestra el tipo de impulsor según la velocidad específica.

46

VELOCIDAD ESPECÍFICA

CURVA DEL SISTEMA

47

CURVA CARACTERÍSTICA DEL SISTEMA

49

CURVA BOMBA VS CURVA DEL SISTEMA

50

EL PUNTO DE OPERACIÓN DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA CORRESPONDE A LA INTERSECCIÓN ENTRE LA CURVA DEL SISTEMA Y LA CURVA DE LA BOMBA.

CURVA SISTEMA-VARIACIÓN VÁLVULA

51

Bombeo simultáneo a dos depósitos diferentes

52

EFICIENCIA EFICIENCIA DE LA BOMBA ES UNA RAZÓN DE POTENCIA HIDRÁULICA SOBRE LA POTENCIA DE FRENADO. REPRESENTA LA EFECTIVIDAD DEL APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA O POTENCIA DISPONIBLE EN EL EJE DE LA BOMBA, ADMINISTRADA AL FLUIDO.

𝜂 =𝑃𝐻𝑖𝑑𝑟𝑎𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎

𝐵𝐻𝑃

VALORES TÍPICOS DE EFICIENCIAS VARÍAN EN EL RANGO DE 60-85%.

55

POTENCIA POTENCIA HIDRÁULICA:

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 ℎ𝑖𝑑𝑟𝑎𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎 = 𝑄 ∙ 𝜌 ∙ 𝐻

POTENCIA DE FRENADO: ES LA POTENCIA CONSUMIDA EN EL EJE DE ROTACIÓN:

𝐵𝐻𝑃=𝑄∙𝜌∙𝐻

𝜂

56

POTENCIA EXCESIVA

57

DESCARGA MENOR A LA ESPERADA

58

CURVAS CARACTERÍSTICAS

59

CURVAS DE ISOEFICIENCIA

61

CURVAS BOMBAS

62

A : Trabajaría sin sobrecarga para un motor de 10 HP. B: Trabajaría sin sobrecarga para un motor de 15 HP para el sistema 1, y para ese mismo motor se sobrecarga para los sistemas 2 a 5. Con un motor de 20 HP sólo se sobrecarga para el sistema 5.

Curva Característica de bomba

64

NPSH NPSH O NET POSITIVE SUCTION HEAD (CARGA NETA POSITIVA EN SUCCIÓN), CORRESPONDE A LA DIFERENCIA EN CUALQUIER PUNTO DE UN CIRCUITO HIDRÁULICO, ENTRE LA ENERGÍA EN ESE PUNTO Y LA PRESIÓN DE VAPOR DEL LÍQUIDO EN ESE PUNTO. SE MIDE EN PIES.

EL NPSH ES UN PARÁMETRO IMPORTANTE EN EL DISEÑO DE UN CIRCUITO DE BOMBAS. SI LA PRESIÓN EN EL CIRCUITO ES MENOR QUE LA PRESIÓN DE VAPOR DEL LÍQUIDO, ESTE SE VAPORIZA FORMANDO BURBUJAS, PRODUCIÉNDOSE EL FENÓMENO DE CAVITACIÓN, QUE PUEDE DIFICULTAR O IMPEDIR LA CIRCULACIÓN DE LÍQUIDO, Y CAUSAR DAÑOS EN LOS ELEMENTOS DEL CIRCUITO.

NPSH REQUERIDA: ES LA NPSH MÍNIMA QUE SE NECESITA PARA EVITAR LA CAVITACIÓN. DEPENDE DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBA, POR LO QUE ES UN DATO QUE DEBE PROPORCIONAR EL FABRICANTE EN SUS CURVAS DE OPERACIÓN.

NPSH DISPONIBLE: DEPENDE DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LA INSTALACIÓN Y DEL LÍQUIDO A BOMBEAR.

65

NPSH r: DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL

66

NPSH d

67

NPSH SI 𝑁𝑃𝑆𝐻𝐴 ≤ 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑅 + 2 𝑓𝑡 , ES POSIBLE QUE LAS CAUSAS SEAN LAS SIGUIENTES:

AUMENTO DE LA PÉRDIDA DE CARGA EN LA LÍNEA DE ASPIRACIÓN, BIEN POR OBSTRUCCIÓN DE LA TUBERÍA O POR FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA CON LA VÁLVULA DE SUCCIÓN SEMICERRADA.

FLUIDO ALCANZA LA PRESIÓN DE VAPOR AL AUMENTAR SU TEMPERATURA, POR EJEMPLO SI EL LÍQUIDO A BOMBEAR SE REFRIGERA PREVIAMENTE, Y ESTA REFRIGERACIÓN FALLA.

68

AUMENTO NPSHd PARA INCREMENTAR EL NPSH DISPONIBLE:

1. AUMENTAR EL NIVEL MÍNIMO DE LÍQUIDO AL INTERIOR DEL ESTANQUE.

2. MODIFICAR EL PIPING PARA REDUCIR LAS PÉRDIDAS POR FRICCIÓN

3. BAJAR LA LÍNEA DE EJE DE SUCCIÓN DE LA BOMBA

4. COMPRAR UNA NUEVA BOMBA CON MENOR NPSH REQUERIDO.

5. ENFRIAR EL LÍQUIDO CONTENIDO EN EL ESTANQUE PARA REDUCIR LA PRESIÓN DE VAPOR.

NOTA:

EL INCREMENTO DE FLUJO AUMENTARÁ LAS PÉRDIDAS DE CARGA EN PIPING.

69

CURVA ALTURA VS CAUDAL BOMBAS CON DIFERENTES RODETES, NPSH Y EFICIENCIA Y BHP

70

EJEMPLO 1

71

ENUNCIADO EJEMPLO 1 LÍQUIDO EN ESTANQUE EN PUNTO BURBUJA CON PÉRDIDAS POR FRICCIÓN: 2 PSIG (6 FT). ¿PUEDE OPERAR NORMALMENTE?

DATOS CONDICIÓN INICIAL:

SI EL FLUJO SE INCREMENTA A 780 [GPM], EL NPSH REQUERIDO AUMENTA A 18 FT.

72

Unidad Valor

Flujo gpm 600

Altura ft 500

NPSHr ft 14 S.G 0,8 Temperatura °F 150

Ciclo Hz 60

RESOLUCIÓN EJEMPLO 1 EL NPSH DISPONIBLE DEL SISTEMA SE CALCULA:

•𝑁𝑃𝑆𝐻𝐷 == 𝐻𝑝 ± 𝐻𝑧 − 𝐻𝑣𝑝 − 𝐻𝑓=𝐻𝑧-𝐻𝑓

•𝑁𝑃𝑆𝐻𝐷 == 26 − 3 − 6=17 FT

PARA LAS CONDICIONES INICIALES SE CUMPLE:

𝑁𝑃𝑆𝐻𝐷 > 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑅

•PARA LA NUEVA CONDICIÓN DONDE EL NPSH REQUERIDO ES 18 FT, NO SE CUMPLE LA RELACIÓN ANTERIOR, POR LO TANTO SE DEBE BUSCAR ALTERNATIVAS PARA INCREMENTAR EL VALOR DE NPSH DISPONIBLE.

73

EJEMPLO 2 SE DESEA ESPECIFICAR UNA BOMBA PARA LOS SIGUIENTES REQUERIMIENTOS:

SE HA RECIBIDO COTIZACIONES DE 3 PROVEEDORES:

DETERMINE LA MEJOR OPCIÓN

74

Unidad Valor

Flujo gpm 1200

Altura ft 450 Ciclo Hz 60

Marca Modelo Descripción

Byron Jackson 4 x 6 x 13 1/4 H Single Suction, 3550 rpm

United H x 6 x13 Double Suction, 3550 rpm

Ingersoll-Dresser 6x26J3B Double Suction, 1750 rpm

CATÁLOGO BYRON JACKSON

75

𝜂 = 79% 𝑁𝑃𝑆𝐻 = 24 𝑓𝑡 HP=250

UNITED PUMPS

76

𝜂 = 70% 𝑁𝑃𝑆𝐻 = 16 𝑓𝑡 𝑃 = 250 [𝐻𝑃]

INGERSELL DRESSER PUMPS

77

𝜂 = 50% 𝑁𝑃𝑆𝐻 = 6 𝑓𝑡

RESUMEN DE RESULTADOS

Marca Modelo Descripción Eficiencia % NPSH [ft] Potencia Disponible [HP]

Byron Jackson 4 x 6 x 13 1/4 H Single Suction,

3550 rpm 79 24 250

United H x 6 x13 Double Suction,

3550 rpm 70 16 250

Ingersoll-Dresser 6x26J3B Double Suction,

1750 rpm 50 6 ND

78

SELECCIÓN BOMBAS CENTRÍFUGAS

79

DIAGRAMA DE SELECCIÓN DE BOMBAS

80

PROBLEMAS OPERACIONALES TÍPICOS

81

Problema Posibles Causas

Líquido no llega a destino

Bombas no cebadas

Aire o vapor en línea de succión

Bomba no está funcionando a la velocidad que corresponde

Rotación en sentido contrario

Rodete o pasages tapados

Fracaso en entregar capacidad de diseño o

presión

NPSH disponible insuficiente



Rodete o pasages parcialmente tapados

Anillos de desgaste gastados o rodete dañado

Aire o gases en el líquido

Viscosidad no es la especificada

Aire o vapor en la línea de succión

Fuga de aire en la caja de packing

Altura total mayor que la altura para la cual fue diseñada la bomba Inyección de aceites de bajas presiones de vapor y anillo de bomba

caliente

Bomba pierde cebo

Fuga de aire en la línea de succión



La bomba sobrecaliente el driver

Velocidad muy alta

Gravedad específica o viscosidad muy alta

Packing muy apretado

Desalineamiento

Altura total menos que la estimada

Bajo voltaje u otro problema eléctrico

Problema con motor, turbina u otro equipo aliado

Vibración de la Bomba



Desalineamiento

Rodamientos gastados

Elemento rotatorio dañado

Fundación no rígida

Bomba operando bajo capacidad mínima recomendada

Rodete obstruido


82


Líquido no llega a

destino

Bombas no cebadas





Fracaso en entregar

capacidad de diseño o

presión










Altura total mayor que la altura para la cual fue diseñada la

bomba

Inyección de aceites de bajas presiones de vapor y anillo de

bomba caliente

Bomba pierde cebo




La bomba

sobrecaliente el

driver

Velocidad muy alta



Desalineamiento



Bombas no cebadas






presión











caliente

Bomba pierde cebo





Velocidad muy alta



Desalineamiento







Desalineamiento





Rodete obstruido

La bomba sobrecalienta el driver


83




Desalineamiento





Rodete obstruido



Bombas no cebadas






presión











caliente

Bomba pierde cebo





Velocidad muy alta



Desalineamiento







Desalineamiento





Rodete obstruido

LEYES DE SEMEJANZA DE BOMBAS

84

INTRODUCCIÓN LAS LEYES DE SEMEJANZA SIRVEN PARA REALIZAR UNA ESTIMACIÓN DEL OPERACIÓN DE LA BOMBA FRENTE A CAMBIOS EN SUS PARÁMETROS (VELOCIDAD, DIÁMETRO DE RODETE).

LAS LEYES DE AFINIDAD EXPRESAN LA RELACIÓN MATEMÁTICA ENTRE LAS DIVERSAS VARIABLES INVOLUCRADAS EN EL DESEMPEÑO DE LA BOMBA.

APLICAN A TODO TIPO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS Y AXIALES.

SE APLICAN PARA UNA MISMA BOMBA.

LAS REDUCCIONES MÁXIMAS DE DIÁMETROS BORDEAN EL 20% DEL ORIGINAL.

LA VELOCIDAD DE ROTACIÓN SE PUEDE AUMENTAR TÍPICAMENTE HASTA UN 50%.

85

ROTOR CON DIÁMETRO Y EFICIENCIA (CONSTANTE, MISMO

FLUIDO) a) CAUDAL VS RPM

𝑄1

𝑄2=

𝑁1

𝑁2

DÓNDE

𝑄: 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑, 𝐺𝑃𝑀

𝐻: 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙, 𝑓𝑡

𝐵𝐻𝑃: 𝐵𝑟𝑎𝑘𝑒 ℎ𝑜𝑟𝑠𝑒𝑝𝑜𝑤𝑒𝑟

𝑁: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎, 𝑅𝑃𝑀.

b) ALTURA VS RPM

𝐻1

𝐻2=

𝑁1

𝑁2

2

c) BHP VS RPM

𝐵𝐻𝑃1

𝐵𝐻𝑃2=

𝑁1

𝑁2

3

86

ROTOR CON VELOCIDAD EFICIENCIA (CONSTANTE, MISMO FLUIDO)

a) CAUDAL VS DIÁMETRO DE RODETE

𝑄1

𝑄2=

𝐷1

𝐷2

b) ALTURA VS DIÁMETRO DE RODETE

𝐻1

𝐻2=

𝐷1

𝐷2

2

c) BHP VS DIÁMETRO

𝐵𝐻𝑃1

𝐵𝐻𝑃2=

𝐷1

𝐷2

2

88

COMENTARIO CUANDO EL DESEMPEÑO ( 𝑄1, 𝐻1𝑦 𝐵𝐻𝑃1 ) ES CONOCIDA A UNA VELOCIDAD PARTICULAR 𝑁1 O DIÁMETRO (𝐷1), LA FÓRMULA PUEDE SER USADA PARA ESTIMAR EL DESEMPEÑO (𝑄2, 𝐻2𝐵𝐻𝑃2) A OTRA VELOCIDAD (𝑁2) U OTRO DIÁMETRO (𝐷2).

LA EFICIENCIA SE MANTIENE RELATIVAMENTE CONSTANTE PARA CAMBIOS DE VELOCIDAD Y PEQUEÑOS CAMBIOS EN EL DIÁMETRO DEL RODETE.

89

REGLAS HEURÍSTICAS PARA SELECCIÓN DE

BOMBAS

90

BOMBAS CENTRÍFUGAS

GPM ALTURA TIPO RPM

Mín 20

Máx. 700

Mín 50

Max 560 Simple - Una etapa 2950

40 700 560 950 Dos etapas 2950

80 1700 850 10000 Multi-etapas

700 1900 0 250 Una Etapa 1450

91

Succión de bomba a) Líquido en su punto burbuja o menos de 50°F bajo éste.

Criterio:

∆𝑃 𝑝𝑠𝑖

100[𝑓𝑡]= 0.2

92

Succión de bomba b) Líquidos 50°F o más bajo el punto de burbuja.

Criterio: ∆𝑃 [𝑝𝑠𝑖]

100 𝑓𝑡= 0,35 (𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜)

93

Descarga de bomba a) Caída de presión permisible • Criterio:

∆𝑃 [𝑝𝑠𝑖]

100 𝑓𝑡= 0,35 (𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜)

𝑢𝑓𝑡

𝑚𝑖𝑛= 700 (𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜)

94

ARREGLOS E INSTALACIÓN DE BOMBAS

95

BOMBAS EN PARALELO CUANDO SE OPERAN BOMBAS EN PARALELO, LA CAPACIDAD DEL CIRCUITO ES IGUAL A LA SUMA DE LAS CAPACIDADES INDIVIDUALES. CABE DESTACAR QUE NO ES UNA CONDICIÓN QUE EL CAUDAL DE OPERACIÓN SEA EL DOBLE DEL CAUDAL DE CADA BOMBA OPERANDO POR SI SOLA.

96

99

BOMBAS EN PARALELO

BOMBAS EN PARALELO DIFERENTES Y ESTABLES

103

BOMBAS EN SERIE PARA BOMBAS OPERANDO EN SERIE LA COMBINACIÓN DE LAS ALTURAS PARA CUALQUIER FLUJO ES IGUAL A LA SUMA DE LAS ALTURAS INDIVIDUALES.

105

CONCLUSIONES ARREGLOS

107

108

CONCLUSIONES ARREGLOS

TUBERÍAS ASPIRACIÓN

109

LA INSTALACIÓN TÍPICA PARA DOS TOMAS EN UN SUMIDERO ES LA QUE SE MUESTRA EN LA FIGURA.

RECOMENDACIÓN INSTALACIONES

110

REDUCTOR EXCÉNTRICO EN LA SUCCIÓN DE LA BOMBA

DISPOSICIÓN CORRECTA DE LA LÍNEA DE SUCCIÓN. ESTA DEBE ESTAR INCLINADA EN FORMA ASCENDENTE A LA BOMBA

MODOS INCORRECTOS DE INSTALACIONES

111

INSTALACIONES INCORRECTAS INCLINACIÓN DE LA LÍNEA DE SUCCIÓN LEJOS DE LA BOMBA, PRODUCE UNA BOLSA DE AIRE :

112

CAVITACIÓN

ES UN FENÓMENO QUE COMPRENDE LA APARICIÓN Y UN SUBSIGUIENTE COLAPSO SÚBITO DE BURBUJAS DE VAPOR EN EL FLUJO DEL LÍQUIDO. LAS BURBUJAS DE VAPOR SE FORMAN CUANDO LA PRESIÓN ESTÁTICA EN EL LIQUIDO DISMINUYE COMO UN RESULTADO DE UN INCREMENTO DE LA VELOCIDAD ABSOLUTA O UN CORRESPONDIENTE CAMBIO EN LAS CONDICIONES DE ENTRADA. SI EL POSTERIOR COLAPSO DE LAS BURBUJAS DE VAPOR O IMPLOSIÓN OCURRE EN LAS PAREDES DEL RODETE O ESTATOR, LA CAVITACIÓN SE PRESENTA EN EL MATERIAL COMO EROSIÓN.

113

114

CAVITACIÓN

GOLPE DE ARIETE EL GOLPE DE ARIETE ES UN FENÓMENO DE SOBREPRESIÓN PRODUCIDO POR UNA REDUCCIÓN BRUSCA DE LA VELOCIDAD DEL FLUJO, QUE EN ALGUNOS CASOS PUEDE SER VARIAS VECES SUPERIOR A LA PRESIÓN DE OPERACIÓN NORMAL DE LA TUBERÍA, PUDIENDO LLEGAR AL COLAPSO DE ÉSTA SI NO SE TOMAN LAS MEDIDAS ADECUADAS. LA MAGNITUD DEL GOLPE DE ARIETE DEPENDE DE LAS SIGUIENTES VARIABLES:

VELOCIDAD DEL FLUJO (V): A MAYOR VELOCIDAD, MAYOR SOBREPRESIÓN.

TIEMPO UTILIZADO EN LA DETENCIÓN DEL FLUJO (T): A MENOR TIEMPO, MAYOR SOBREPRESIÓN.

LONGITUD INVOLUCRADA DE LA TUBERÍA (L): A MAYOR LONGITUD, MAYOR SOBREPRESIÓN.

GRADO DE DEFORMABILIDAD DE LA TUBERÍA: A MAYOR DEFORMABILIDAD, MENOR SOBREPRESIÓN.

115

DESARROLLO GOLPE ARIETE

116

CAUSAS GOLPE DE ARIETE

INTERRUPCIÓN DEL SUMINISTRO ELÉCTRICO (DETENCIÓN REPENTINA DE LA BOMBA)

OPERACIÓN DEFECTUOSA DE VÁLVULAS DE OPERACIÓN

ENTRADA DE AIRE A LAS LÍNEAS

FALLA DE LOS QUEBRADORES DE VACÍO O VÁLVULAS DE VENTEO

INCORRECTA OPERACIÓN DE LA BOMBA

117

GOLPE DE ARIETE SE PUEDE DETERMINAR LA SOBREPRESIÓN PRODUCIDA POR EL GOLPE DE ARIETE, APLICANDO LAS FÓRMULAS DE MICHAUD Y JOUKOWSKY, SEGÚN LA MAGNITUD DE TIEMPO UTILIZADO EN LA DETENCIÓN DEL FLUJO.

DONDE:

T: TIEMPO DE DURACIÓN DE LA MANIOBRA DE DETENCIÓN DEL FLUJO (S)

L: LONGITUD DE LA TUBERÍA (M)

α: VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE LA ONDA DE SOBREPRESIÓN O CELERIDAD (M/S)

∆H: SOBREPRESIÓN O VARIACIÓN DE PRESIÓN PRODUCIDA POR EL GOLPE DE ARIETE (METROS DE COLUMNA DE AGUA, M.C.A.)

V: VELOCIDAD DE RÉGIMEN DEL FLUJO (M/S)

118

GOLPE DE ARIETE LA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE LA ONDA DE SOBREPRESIÓN, QUE ES CARACTERÍSTICO DE CADA TIPO DE TUBERÍA, PARTICULARMENTE EN EL PVC ES EL SIGUIENTE:

PVC CLASE 4 : CELERIDAD = 240 M/S



119

EJEMPLO GOLPE DE ARIETE EJEMPLO 1:

EN UNA TUBERÍA DE PVC CLASE 10 DE 1.850 METROS DE LONGITUD QUE TRABAJA A 50 M.C.A. DE PRESIÓN, ES DECIR, A LA MITAD DE LA PRESIÓN ADMISIBLE, Y A UNA VELOCIDAD DE 1,3 M/S, SE REALIZA UNA MANIOBRA DE CIERRE DE UNA VÁLVULA EN UN TIEMPO DE 15 SEGUNDOS. EN ESTE EJEMPLO SE EVALÚA LA SOBREPRESIÓN DE GOLPE DE ARIETE DE LA SIGUIENTE MANERA: EVALUACIÓN SI EL CIERRE ES RÁPIDO O LENTO:

120

GOLPE DE ARIETE

POR LO TANTO, CON UNA PRESIÓN DE TRABAJO DE 50 M.C.A. MÁS UNA SOBREPRESIÓN POR GOLPE DE ARIETE DE 32,68 M.C.A., SE LLEGA A UNA PRESIÓN MÁXIMA DE 82,68 M.C.A., RESISTIENDO PERFECTAMENTE LOS 100 M.C.A. QUE TIENE LA TUBERÍA DE PVC CLASE 10.

¿QUÉ OCURRE CON LA TUBERÍA SI EL CIERRE ES DE 5 [S]?

121

MECÁNICA DE FLUIDOS 2014-1

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

MSC ALFONSO FLORES CARRILLO

MECÁNICA DE FLUIDOS 2014-1

Documents

Transcript of MECÁNICA DE FLUIDOS 2014-1