DISEO Y CLCULO DE

UNA INSTALACIN DE BOMBEO

NDICE

Introduccin ...................................................... 2

Caractersticas de la bomba ............................... 3

Parmetros de funcionamiento ........................... 5

Diseo cmara de admisin ............................... 6

Diseo tuberas de aspiracin ............................ 8

Diseo tuberas de descarga .............................. 10

Accesorios ........................................................ 11

Clculo alturas de carga de la instalacin ......... 14

Clculo del NPSH ............................................. 17

Potencia y rendimiento de la bomba ................. 18

Esquema instalacin ......................................... 19

Bibliografa ...................................................... 20

INTRODUCCIN

El objetivo de este estudio es el diseo de una instalacin de bombeo de gran caudal.

En el clculo de dichas instalaciones, hay diversos parmetros de suma importancia.

Nmero de bombas a instalar.

Diseo de la aspiracin (estanque, bocas de aspiracin,...)

Tuberas (materiales, dimensiones)

Accesorios (vlvulas, derivaciones,...)

Sin embargo, sin duda el factor de mayor importancia es la correcta eleccin de la

bomba.

En la realizacin de un proyecto real de una instalacin de bombeo como la del caso

que nos ocupa, tendramos que tener en cuenta una serie de datos. Entre ellos se

encuentran:

Datos tcnicos: modulacin del caudal total, condiciones de aspiracin, variaciones de

las alturas de elevacin.

Datos topogrficos, como la naturaleza del terreno o las tomas de agua.

Factores dependientes de la obra a realizar y de las condiciones econmicas, precio de

la obra, naturaleza del servicio, seguridad, periodicidad de paradas para mantenimiento,

naturaleza de la energa motriz disponible,...

Sin embargo, para este trabajo, la ausencia de datos concretos sobre la instalacin y las

condiciones de operacin, han hecho imposible el estudio al detalle. De esta manera, se

trata de un simple boceto de lo que sera la instalacin real.

Otra limitacin importante ser la ausencia de informacin en el mercado sobre

bombas de tan elevados caudales, debido a ello, se ha sacrificado la altura de carga

inicialmente requerida para tener posibilidad de acarrear el caudal indicado.

CARACTERSTICAS DE LA BOMBA

El modelo de bomba seleccionado es el KP 800 de la empresa EMU.

Se trata de una bomba sumergible de flujo axial, que acarrea grandes caudales a

pequeas alturas.

Hay tres variantes diferentes de este modelo:

KP 800-10O

KP 800-12O

KP 800-14O

de los cuales la ms adecuada para las condiciones de trabajo requeridas es la segunda.

Como se puede apreciar en el diagrama de seleccin de modelo, es la bomba de mayor

capacidad de las de tipo axial. El punto aproximado sobre el que trabajara ser de un

caudal de unos 2000 l/s y aproximadamente 0.45 bar de presin.

La potencia necesaria para accionar esta mquina es de 132 kW, y se utilizar el

modelo de motor FK 536-8/48, cuyas caractersticas son:

PN (kW) JN (Amp) r.p.m. PESO (kg)

132 275 730 1650

El rgimen de velocidad ser de 730 rpm.

El motor sumergible est refrigerado por un circuito de aceite.

Todas las piezas del revestimiento son de acero fundido, el rodete de G-Cu Sn 10

(material nmero 2.1050.01 segn DIN 17007). Eje y conexiones de tornillos de acero

inoxidable.

El motor est lleno de aceite. El sellado del motor est asegurado por un sello

mecnico axial resistente al desgaste, cmara de aceite y un sello mecnico adicional

(ver figuras adjuntas).

El mecanismo de amarre DN 800 N, PN 10 est compuesto de una brida de

acoplamiento, "foot elbow of coupling" codo en el pie de acoplamiento, 5 m de barra, 5

m de cadena y fijacin superior.

Figuras, sellos mecnicos en la bomba:

PARMETROS DE FUNCIONAMIENTO

VELOCIDAD ESPECFICA DIMENSIONAL EN FUNCIN DEL CAUDAL

Sabiendo que la altura de carga es de 4.5 m.c.a. aproximadamente, el caudal de

2000 l/s y el rgimen de 730 rpm, podemos calcular la velocidad especfica en funcin

del caudal:

n NQ

Hq

3

4

por tanto, en este caso

nq 7302

4 5334143

4..

VELOCIDAD ESPECFICA DIMENSIONAL EN FUNCIN DE LA POTENCIA

En este caso:

n NP

Hs 5

4

y sustituyendo valores:

nq 730132000

4 540466 365

4..

DISEO DE LA CMARA DE ADMISIN

La cmara de admisin tiene como propsito asegurar un caudal regular en la bomba.

En caso de un diseo incorrecto se presentaran problemas de vibraciones, cabitacin y

prdidas de eficiencia en la instalacin. Dichos problemas son especialmente

importantes para bombas con velocidad especfica alta como es el caso.

La distribucin de velocidades en la entrada del difusor ha de ser lo ms uniforme

posible. Dicha condicin se hace cumplir mediante una disposicin de la cmara que

evite la formacin de vrtices.

El diseo ms adecuado para nuestra instalacin es el de la figura:

Se recomienda una velocidad de entrada del fluido menor de 1,3 m/s, por tanto, para un

caudal de 2000 l/s,

vQ

D

v Q

D

2 2

4

4

es decir:

DQ

vm

..

4

2

4 131099

por tanto, el dimetro de la tobera de entrada ha de se mayor o igual a 1.1 m

D 1.1 m

El dimetro definitivo de dicha tobera se tomar sobredimensionado un 10% de 1.2 m.

Las dimensiones de la aspiracin finalmente sern:

D = 1.2 m

R = 1.8 m

S = 1.8 m ha de ser mayor que el NPSHrequerido

a = 0.6 m

b = 1.2 m

W = 2.4 m

E = 4.8 m

e = 0.4 m

DISEO TUBERAS DE ASPIRACIN

En el clculo de los conductos de aspiracin hacia la bomba influyen los mismos

criterios que en el diseo de la cmara. Perturbaciones en el flujo (distribuciones

irregulares de velocidad), o vrtices en la aspiracin provocaran reducciones en la

potencia de la bomba, empeoramiento del comportamiento en cuanto a NPSH y

aumento del nivel de emisin de ruido de la instalacin.

Tambin es importante reducir al mximo los accesorios a instalar, ya que dichos

elementos provocan prdidas de carga e incluso vrtices de velocidad.

Encontramos diversas recomendaciones (en algunos casos entran en contradiccin con

lo que hay que adoptar una solucin de compromiso) en la bibliografa tcnica respecto

las tuberas de aspiracin, de las que hacemos un resumen:

- La tubera de aspiracin ha de ser de la menor longitud posible.

- Si es posible, el tubo de succin debe ser de dos o ms tamaos mayores que la

conexin de entrada de la bomba, de modo que se asegura menos prdidas de friccin en

la columna de la lnea de succin.

- sese preferentemente un reductor excntrico.

- Inclnese el tubo de succin hacia arriba, hacia la bomba.

- Evtense codos de radio reducido.

- Para evitar la transmisin de vibracin a la carcasa de la bomba, tanto en la tubera de

succin como la de descarga deben estar soportadas independientemente en un punto

cercano a las bridas de entrada y salida.

- Secciones de tubera recta de longitud adecuada > 7D

- Boca de aceleracin.

- Aletas en los codos.

Finalmente la configuracin adoptada es la de la figura:

DISEO TUBERAS DE DESCARGA

Desde el punto de vista de la bomba, los factores ms importantes en el diseo de

tuberas de descarga son el tamao del tubo, velocidad del lquido, longitud de la

tubera, nmero y tipo de los accesorios y naturaleza general del diseo de la tubera.

Para reducir la columna de friccin sobre la descarga de la bomba, la lnea de debe ir

desde la bomba al equipo que sirve en la ruta ms directa posible. Debe hacerse todo

esfuerzo para mantener el nmero de vlvulas, accesorios y cambios de direccin al

mnimo necesario para las instalaciones.

La salida del tubo de descarga debe estar sumergida en todos los niveles del lquido

para asegurar la columna de operacin mnima.

Como no se disponen datos del tipo de servicio requerido, se ha determinado la

instalacin ms sencilla, con una nica vlvula de retencin y descarga sobre un

depsito considerado de altura constante.

Es necesaria tambin la existencia de dos codos ms de 90 grados y de una tobera de

descarga de igual forma que la de admisin. De este modo se reducen al mximo las

prdidas para bombear el agua de un depsito a otro.

ACCESORIOS

* Vlvula de retencin

Sobre la tubera de descarga, e inmediatamente despus de la boca de impulsin, se

instalar una vlvula de retencin con resorte. Dichas vlvulas han de ser colocadas en

direccin vertical de flujo, pero son las ms adecuadas para ser colocadas justo sobre el

tubo de presin de la bomba.

La vlvula es de la empresa GESTRA y es el modelo RK de un tamao

correspondiente al dimetro de la boca de impulsin (800 mm).

ste tipo de vlvulas son insensibles a turbulencias de flujo, ofreciendo una pequea

resistencia y por tanto prdida de carga.

Para evitar problemas de "tableteo" de la vlvula, sta ha de funcionar en la zona lineal

de la curva caudal vs prdida de carga.

Es posible prescindir del resorte de cierre debido a que se trata de una instalacin en

tubera vertical con corriente ascendente, aunque hay que tenerlo en cuenta por los

peligros de choques a presin.

La prdida de carga que provoca es de = 0.4 m

* Boca de succin

Se recomienda instalar un elemento justo a la entrada de la aspiracin de la bomba que

reduzca la seccin de paso del conducto para producir una aceleracin en el fluido. Las

medidas de dicho elemento sern:

DNs

DL1

donde DNs = 800 mm.

DL1 = 1000 mm.

La prdida de carga se calcula de la siguiente manera.

La longitud del difusor para un ngulo de 8o ser:

Ld d

gE

2 1

2 2cot

por tanto en nuestro caso:

L g mE

1000 800

2

8

211cot .

que coincide con la longitud equivalente del difusor.

* Codos de 90o

Situados en tres puntos de la instalacin, debajo de la boca de succin, tras la boca de

impulsin y justo antes del depsito de descarga; con un radio de r = 2000 mm. y

dimetro de entrada igual a dimetro de salida

La prdida de carga que producen es de = 0.14 m

* Vlvula de compuerta

Con el fin de poder aislar la bomba para acceder a ella en tareas de mantenimiento o

reparacin, se coloca en la tubera de aspiracin una vlvula de compuerta. Dicha

vlvula es fundamentalmente del tipo abierto/cerrado.

Todas las vlvulas de compuerta proporcionan un paso recto total al fluido circulante,

por lo que reducen las prdidas de carga al mnimo valor posible.

Nuestra vlvula tiene un coeficiente de friccin de k = 0.03 de modo que la prdida de

carga que provoca en metros ser:

k

v

gk

Q

D

gm

2

2

2

2

2

2

4

20 03

2

08

4

2 9 810 024

.

.

..

CLCULO ALTURAS DE CARGA DE LA INSTALACIN

El esquema de la instalacin estudiada es el siguiente:

Aplicando la ecuacin de Bernouilli entre la entrada y la salida del sistema, tenemos

que:

Pasp

gz

v

gH

Pdesc

gz

v

gaspasp

BOMBA desc

desc

2 2

2 2

si consideramos la velocidad del lquido en la superficie de los depsitos nula y la cota

de aspiracin como cota cero nos queda la siguiente ecuacin:

H zBOMBA desc

Clculo de las prdidas de carga:

kv

gf

l

D

v

g

2 2

2 2

Para determinar los coeficientes de aspiracin determinaremos primero el nmero de

Reynolds de las tuberas.

La rugosidad relativa de las tuberas (de acero comercial) es de = 0.0046 cm, por

tanto:

Re c D

los dimetros de las tuberas son Daspiracin = 1 m y Dimpulsin = 0.8 m.

por tanto:

c m saspiracion

2

1

2

2 542

. / c m simpulsion

2

08

2

392

.

. /

Re.

aspiracin

2 54 1

1 1025400006 Re

. .aspiracin

39 08

1 1031200006

para estos valores, el valor del coeficiente de friccin de ambas tuberas es

prcticamente idntico f = 0.012.

por tanto finalmente se pueden calcular las prdidas de carga:

aspiracin = 0 01211

1

2 54

2 9 810 0043

2

.. .

..

m

impulsin = 0 01205

08

39

2 9 810 0058

2

..

.

.

..

m

En algunos casos disponemos directamente de la prdida de carga del tramo, como es

el caso de los siguientes

ACCESORIO (m)

Vlvula de retencin 0.4

Difusor tubera de entrada/salida 0.03

3 codos de 90o 0.14

Las prdidas de carga totales son:

aspiracin = 0.03 m + 0.14 m + 0.0043 m + 0.024 m = 0.1983 m

impulsin = 2*0.14 + 0.0058 = 0.2858 m

es decir

total m 0 4841.

La altura de carga que proporciona la bomba es

Pbomba = 4.5 bar = 45000 Pa

es decir

Hbomba = 4.58 m

Finalmente, la cota del depsito superior ser de 4.1 metros.

CLCULO DEL NPSH

El NPSH (net positive succion head ) o columna neta de succin positiva es un

parmetro fsico de operacin de instalaciones.

Un diseo defectuoso de este parmetro puede producir problemas de capacidad y

eficiencia en la bomba, as como generar daos fsicos en sta por cavitacin.

El NPSHrequerido es un parmetro dependiente de la bomba y viene definido por el

fabricante. Se determina mediante ensayos de cavitacin.

En nuestro caso, el NPSHrequerido est en 2 m con un caudal de 2200 l/s.

El NPSHdisponible es un parmetro de la instalacin, columna de succin o elevacin,

columna de friccin y la presin de vapor del lquido que se maneja. Dependiendo de

las condiciones de la aplicacin, la NPSH de que se dispone puede alterarse para

conformarse con la que requiere la bomba para su operacin satisfactoria.

Para la instalacin de que disponemos, el NPSHdisponible es el siguiente:

NPSHP

gz

v

g

P

gdisponibleatm

succin aspiracin

vapor

2

2

si consideramos la velocidad en el depsito de admisin nula y la cota de dicho

depsito igual que la de la bomba, tenemos que:

NPSH mdisponible

101325

998 3 9 810 2858

2337

998 3 9 819 81

. ..

. ..

lo que nos proporciona un amplsimo margen de seguridad de = 7.8 m.

POTENCIA Y RENDIMIENTO DE LA BOMBA

La potencia de accionamiento de la bomba viene definida por el fabricante como ya se

dijo al principio.

La potencia conumida sin embargo depende del punto de funcionamiento y de la

instalacin en general.

En este caso, la potencia consumida es:

Pcons = g H Q = 998.39.814.582 = 89706.83 W = 89.706 kW

El rendimiento total de la bomba es por tanto:

totalconsP

Na

89 706

1320 6795

..

Rendim = 68 %

DESCARGA

BIBLIOGRAFA

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Compaa editorial Continental S.A.

Sulzer Centrifugal Punp Handbook

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Elsevier Applied Science

Tuberas Industriales

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URMO S.A. ediciones

Los elementos de control llamados vlvulas

Tecnologa del agua

Dr. M.A. Soler Manuel

Centrifugal and Axial flow punps

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Turbomquinas hidrulicas

Claudio Mataix

Ed. ICAI

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