bombas hidraulicas
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Una bomba es una maquina hidraulica
generadora que transforma la energía
(generalmente energia mecanica) con
la que es accionada en energia
hidraulica del fluido incompresible que
mueve. El fluido incompresible puede ser
liquido o una mezcla de líquidos y
sólidos.
El objeto del bombeo del agua o agua residual es sutransporte de un punto a otro, generalmente desde unacota de elevación mas baja a otra mas elevada.
En general, una bomba se utiliza para incrementar lapresión de un líquido añadiendo energía al sistemahidráulico, para mover el fluido de una zona de menorpresión o altitud a otra de mayor presión o altitud.
Sistemas muy utilizados para aquellos casos en los cualeslos costos de excavación excedan los de bombeo o enaquellas condiciones topográficas adversas.
Para el diseño de estaciones de
bombeo el ingeniero debe especificar
entre otras cosas:
› El tipo de bomba hidráulica a utilizar
› Requerimientos de descarga
› Carga de bombeo (elevación o head)
› Potencia
En la ingeniería civil y ambiental existen dos tipos de bombas muy comúnmente usadas:
› Centrifugas: Tienen un elemento rotativo (impulsor oimpeller) que es el encargado de impartir energía alagua.
› Desplazamiento positivo: El procedimiento consisteen succionar agua en una cámara y se impulsa enotra dirección.
› Ver copias.
CAPACIDAD:
› Conocido comúnmente como caudal y correspondiente al volumen deliquido bombeado por unidad de tiempo (l/s; cfs; m3/s)
ALTURA
Expresa la distancia vertical existente entre una superficie libre de agua y una cota de referencia.
En los sistemas de bombeo altura se refiere tanto a una bomba como a un sistema de bombeo incluyendo una o varias bombas y el conjunto de tuberías.
La altura se refiere a la distancia que puede elevar un liquido y se mide en metros de columna de liquido bombeado.
La altura necesaria para vencer las perdidas que se producen en las conducciones de un sistema a un caudal dado corresponde a la altura del sistema.
Los términos utilizados comúnmente en el análisis de bombas y sistemas de bombeo son:
› Altura geométrica de aspiración
› Altura geométrica de elevación
› Altura geométrica total
› Perdida de carga por rozamiento
› Altura de velocidad
› Perdidas de carga menores
› Altura manométrica total**
**Definida de las anteriores.
Es la formula básica para el cálculo de lasperdidas de carga en las tuberías y conductos
Darcy Weisbach y otros propusieron, con baseen experimentos, que la perdida de energíaresultante de la fricción en tuberías yconductos varia como:
Mayor rango de aplicacion (50 a 350 mm en diametro).
Aplica a flujo parcialmente lleno o libre y en tuberias a presion.
Son aquellas pérdidas provocadas porlos accesorios etc. Estas perdidas sonrelativamente importantes es el caso detuberías cortas; en las tuberías largas, suvalor es despreciable.
COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DE HAZEN
WILLIAMS
Ep = rendimiento de la bomba, adimensional.
Pi = Potencia absorbida, kW (kN*m/s).
γ = peso especifico del agua kN/m3.
Q = caudal (m3/s).
Ht = Altura manometrica total, m.
Los tipos de bombas centrifugas dependen de la forma del impulsor.
› Radiales: Impulsan el agua perpendicular a su eje, mejores para alta carga y bajo caudal.
› Axiales: Impulsan el agua en la dirección axial, mejores para baja carga y alto caudal.
› Mixtas: Imparten al agua un componente de velocidad axial y radial.
Bombas centrifugas
Bombas centrifugas
Cavitacion
Las bombas pueden ser clasificadas de
acuerdo a su velocidad especifica.
Este parámetro de diseño es el producto
de la combinación de:
› Velocidad de rotación
› Descarga
› Carga o head hidráulico.
De la combinación de parámetros
anterior se obtiene un termino que es
constante para bombas
geométricamente similares que operen
bajo las mismas condiciones dinámicas
(homologas).
Este termino se define como velocidad
especifica:
N = velocidad de rotación del impulsor, rpm
Leyes de semejanza en B.
Centrifugas
Bombas geométricamente similares
Leyes de afinidad
Usadas para relacionar modelos y prototipos
Para dos tipos de bombas:
Relaciones para alteraciones en una
misma bomba
Si se altera el tamaño de una bomba o la velocidad delimpulsor, cambian las características de operación.
Para mantener el mismo vector de velocidad del agua alsalir del impulsor se requiere que:
Para todos estos casos
la eficiencia se
mantiene constante :
De esta formula vemos que para aumentar
presión o disminuirla podemos o alterar
revoluciones o el diámetro.
Carga de succion estatica
Carga de descarga estatica
Carga total estatica
Carga total dinamica
La altura a que la bomba puede impulsar los diversoscaudales a velocidad de funcionamiento constante seestablece en los ensayos de bombeo que realizan losfabricantes. La altura manométrica de la bomba es ladiferencia entre las energías existentes en losconductos de impulsión y aspiración de la bomba segúnla ecuación de energía.
En el curso del ensayo se varia el caudal de bombeoactuando sobre una válvula dispuesta en la descargade la bomba y se mide la altura correspondiente.
Los resultados del ensayo se representan gráficamentedando lugar a una curva de alturas-caudales para lavelocidad de giro constante empleada.
Al mismo tiempo el fabricante mide el rendimiento y
potencia adsorbida, representando en el mismo grafico
los valores resultantes.
Este conjunto de curvas es el conocido como curvas
características de la bomba.
La curva a continuación puede considerarse típica e
ilustra las características de una bomba trabajando a
una velocidad constante determinada.
La curva de carga-caudal es la línea que
desciende de izquierda a derecha, y representa
las cantidades variables de líquido que la
bomba puede entregar a distintas cargas o
presiones. La intersección de esta línea con la
línea de cero descarga, nos da la carga o
presión que desarrolla la bomba cuando la
válvula de descarga está cerrada.
La curva que en este caso nos da la
potencia necesario para operar la bomba,
tiene la pendiente hacia arriba, de
izquierda a derecha. En este caso el
punto en que la potencia necesario tiene
un valor menor, es el que corresponde a
la válvula cerrada.
Estas dos curvas nos dan las característicascompletas de la bomba para una velocidaddeterminada para la cual se ha dibujado lacurva, pero no obstante, por conveniencia,generalmente se añade otra curva dondeaparece la eficiencia de la bomba y enmuchos casos sé suprime la curva de lapotencia y se ponen solamente las curvasde carga-caudal y eficiencia.
Para determinar la altura requerida por una bomba,
o grupo de bombas, para descargar unos caudales
dados a través de un sistema de tuberías
determinado, hay que desarrollar la curva altura-
caudal del sistema.
Esta corresponde a una representación grafica de
la altura del sistema y se obtiene dibujando los
puntos correspondientes a la altura manométrica
total (Ht, ecuación clase anterior) para una gama
de caudales desde cero al maximo esperado.
En la mayoría de las instalaciones importantes de equiposde bombeo, el flujo de diseño no es continuo; sino queexisten variaciones diarias, mensuales y estacionales endicho flujo.
De esta forma no resulta tan fácil, hacer una buenaselección del sistema de tuberías y del equipo o los equiposde bombeo correspondientes.
Es por eso que resulta preferible dibujar curvas del sistemade tuberías con las distintas posibilidades de diámetro aescoger y compararlas con las curvas de las bombas,superponiéndolas a éstas determinando así el punto deoperación de cada bomba con cada sistema, y escogiendo lacombinación sistema-bomba que sea capaz de dar mayorcaudal con menos potencia, y que se mantenga al mismotiempo, dentro de las necesidades de variación de flujopreviamente especificadas.
El punto donde se cortan la curva del sistema y
la curva de la bomba, se llama punto de
operación.
Si no existiese carga estática o presión la curva del
sistema de tuberías arrancaría de la carga cero, pero
como la carga estática más la presión, en este caso, es
de 50 pies, la carga que corresponde al flujo cero es 50
pies y la carga total para cualquier otro flujo resulta 50
pies, más las pérdidas por fricción correspondientes al
diámetro de tubería instalado.
Cualquier otro sistema más complicado con codos,
válvulas, etc., se dibuja de igual manera. Las curvas del
sistema se colocan sobre las de las bombas y se obtiene
el punto de operación por la intersección de la curva del
sistema y la curva de carga-caudal de la bomba.
Al igual que la mayoría de equipos mecánicos, una bomba
funciona mejor en su punto de máximo rendimiento. En este
punto, los esfuerzos radiales sobre los cojinetes son mínimos,
ya que la carga desequilibrada sobre el rodete es también
mínima.
Estos esfuerzos como es de esperar se incrementan a medida
que el punto de funcionamiento se separa del de máximo
rendimiento, sea en una u otra dirección.
Cuando el caudal de la bomba sobrepasa al correspondiente al
punto de máximo rendimiento la presión absoluta necesaria
para evitar la cavitación aumenta, de tal manera que adicional a
los problemas de esfuerzos radiales, la cavitación se convierte
en un problema potencial.
Debido a las anteriores efectos es de buena practica
limitar el intervalo de funcionamiento de las bombas
entre un 60 y un 120% del correspondiente al punto de
máximo rendimiento.
Este intervalo puede incrementarse en velocidades de
operación bajas pero hay que tomar precauciones fuera
de el.
Ver Copias.
El análisis del sistema para una estación de bombas seráconducido a seleccionar las unidades de bombeo mas adecuadasque cumplan con los requisitos de servicio y para determinar suspuntos de operación, eficiencias y potencia requerida.
(1) Operación de bomba sencilla.
Una curva de capacidad de carga del sistema será preparadamostrando las condiciones bajo las cuales se requiere que operela bomba.
La curva del sistema será interpuesta conjuntamente con la de labomba (curva característica de la bomba) con el fin deseleccionar la bomba y determinar el punto de operación de esta.
El punto de intersección de ambas curvas representa la carga ycapacidad a la cual la bomba va a operar en el sistema dealcantarillado.
(2) Operación de bombas múltiples
Cuando dos o mas bombas descargan en una caída común,
las perdidas de carga por succión y líneas de descarga
puede ser omitida de la curva de altura-capacidad del
sistema.
Esto se debe ya que la capacidad de cada bomba variara
dependiendo de cuantas unidades hayan en operación. De
manera tal que la forma de obtener la salida de un sistema e
múltiple de bombas, las perdidas por succión y descarga son
deducidas de las curvas características.
El desempeño de múltiples bombas será determinado
añadiendo la capacidad para puntos de igual carga de la
curva modificada
La intersección de las curvas individuales modificadas y
curvas de las bombas combinadas con las del sistema da
como resultado la capacidad de descarga total para cada
una de las posibles combinaciones.
Las bombas deben ser seleccionadas tal que la capacidad
total requerida de la instalación de la bomba pueda ser
entregada con el nivel mínimo en el pozeto húmedo y
fricción máxima en la línea de descarga.
Determinar los puntos de funcionamiento de una misma bomba a velocidades diferentes.
Velocidad de rotación de la bomba.
Vrot = 1,170 rpm
Obtener curvas de Q-H para 870 rpm, y 705 rpm.
Hallar los nuevos puntos de operación.
USAR LEYES DE AFINIDAD.
Bombas geométricamente similares
Leyes de afinidad
Usadas para relacionar modelos y prototipos
Para dos tipos de bombas:
Los puntos encontrados en el ejercicio anterior
para V_rotacion = 870 rpm y 705 rpm tienen el
mismo rendimiento y velocidad especifica que el
punto original para Q= 0,44 m3/s y H= 28 m
(VERIFICAR LA Ns en cada caso).
Recordando velocidad especifica se define
como aquel termino constante para bombas
geométricamente similares que operen bajo las
mismas condiciones dinámicas (homologas).
N = velocidad de rotación del impulsor, rpm
El valor calculado de la velocidad especifica no
tiene un significado físico pero es
extraordinariamente útil porque permanece
constante para todas las bombas similares y no
varia con la velocidad de la misma.
Ns es independiente de su tamaño y velocidad y es
función de su forma únicamente, por lo que a veces
se le considera un factor de forma.
Una localidad se abastece de un pozo cuyas características seindican a continuación: nivel estático 5.50 m, nivel de bombeo31.00 m, profundidad 38.00 m, caudal 2.5 l/s, cota terreno 173.44m, altura del estanque 19 m desde la superficie del terreno,periodo de funcionamiento 16 horas.
Tubería en acero galvanizado (C = 110) para Hazen Williams.
Calcular las perdidas de carga de la tubería y la
potencia de la bomba.
Datos
Se dice que dos o más bombas seencuentran en serie, cuando una leentrega a la siguiente su caudal alobjeto de aumentar la energía dellíquido y poder elevar el agua a unaaltura mayor. Se debe considerar lasuma de las alturas de elevación quecaracterizan a cada una de lasbombas, admitiéndose el mismo caudalunitario.
La potencia de la combinación será la
suma de las potencia individuales, y por
consiguiente, la eficiencia de la
combinación se obtendrá como el
resultado de despejar la eficiencia en la
fórmula de la potencia usando el
caudal y la carga de la combinación.
