INSTITUTO TECNOLOGICO DE ZACATEPEC

HIDRALICA BASICA

EQUIPO DE BOMBEO

PERALTA BARRANCO DAMIANProfr. Ing. Manuel Brito Gaytn

DICIEMBRE 5, 2014

CONTENIDO

DEFINICION Y CLASIFICACION DE EQUIPO DE BOMBEO. 3

CLASIFICACION DE LAS BOMBAS HIDRALICAS 4

BOMBAS CENTRIFUGAS . 5

BOMBAS VERTICALES. 7

BOMBAS SUMERGIBLES 8

DE ALCANTARILLADO 10

CURVAS DE FUNCIONAMIENTO. 11

CRITERIOS DE SELECCIN DE EQUIPOS DE BOMBEO. 16

FENOMENOS TRANSITORIOS 18

CAVITACION 18

GOLPE DE ARIETE 21

DEFINICIN Y CLASIFICACIN DE EQUIPO DE BOMBEOUna bomba Hidralica es una mquina generadora que transforma la energa (generalmenteenerga mecnica) con la que es accionada enenerga hidrulicadel fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser lquido o una mezcla de lquidos y slidos como puede ser el hormign antes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energa del fluido, se aumenta su presin, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas segn el principio deBernoulli. En general, una bomba se utiliza para incrementar la presin de un lquido aadiendo energa al sistema hidrulico, para mover el fluido de una zona de menor presin o altitud a otra de mayor presin o altitud. Existe una ambigedad en la utilizacin del trmino bomba, ya que generalmente es utilizado para referirse a las mquinas de fluido que transfieren energa, o bombean fluidos incompresibles, y por lo tanto no alteran ladensidadde su fluido de trabajo, a diferencia de otras mquinas como lo son los compresores, cuyo campo de aplicacin es la neumtica y no la hidrulica. Pero tambin es comn encontrar el trmino bomba para referirse a mquinas que bombean otro tipo de fluidos, as como lo son las bombas de vaco o las bombas de aire.Un equipo de bombeo consiste de dos elementos, una bomba y su accionador el cual puede ser un motor elctrico,' motor de combustin interna, etc. El accionador es el encargado de entregar energa mecnica y la bomba convierte en energa cintica que un fluido adquiere en forma de presin, de posicin y de velocidad. Como un ejemplo de esta adicin de energa al fluido se mencionara el uso de algunos equipos de bombeo en los servicios especficos siguientes: Un equipo de bombeo de pozo profundo se utiliza para cambiar la posicin del agua que se encuentra en el subsuelo para que salga a la superficie. Un equipo de bombeo de transporte (Pipe-Iine) se utiliza para adicionar energa de presin al fluido, que se utiliza para poder vencer las prdidas de friccin que se tienen en la conduccin, esto se da en donde las elevaciones, as como los dimetros de tubera y las velocidades del fluido son iguales. Las bombas se emplean para impulsar toda clase de lquidos (agua, aceites de lubricacin, combustibles, cidos; lquidos alimenticios: cerveza, leche, etc.; estas ltimas constituyen el grupo importante de las bombas sanitarias).

CLASIFICACIN DE LAS BOMBAS HIDRALICASLas bombas se clasifican con base en una gran cantidad de criterios, que van desde sus aplicaciones, materiales de construccin, hasta su configuracin mecnica. Un criterio bsico que incluye una clasificacin general, es el que se basa en el principio por el cual se adiciona energa al fluido. Bajo este criterio las bombas pueden dividirse en dos grandes grupos; Dinmicas y de Desplazamiento positivo.

a) Dinmicas. Bombas a las que se agrega energa continuamente, para incrementar la velocidad del fluido dentro de la bomba a valores mayores de los que existen en la succin, de manera que la subsecuente reduccin de velocidad dentro o ms all de la bomba, produce un incremento en la presin.

b) De desplazamiento positivo. Bombas en las cuales se agrega energa peridicamente mediante la aplicacin de fuerza a uno o ms elementos mviles para desplazar un nmero deseado de volmenes de fluido, lo que resulta en un incremento directo en la presin.

Las bombas centrfugas se clasifican de acuerdo a la trayectoria del fluido en el interior del impulsor en: flujo radial, flujo axial y flujo mixto. a) Flujo radial. El movimiento del fluido se inicia en un plano paralelo al eje de giro del impulsor de la bomba y termina en un plano perpendicular a ste. Estas bombas pueden ser horizontales o verticales. b) Flujo axial. La direccin del fluido en el impulsor es en forma axial y alrededor del eje de giro del impulsor de la bomba, sin tener cambios de direccin. stas bombas desarrollan su carga por la accin de un impulso o elevacin de los alabes sobre el lquido y usualmente son bombas verticales de un solo paso. c) Flujo mixto. El movimiento del fluido dentro del impulsor se desarrolla en tres direcciones, tangencial, radial y axial al eje de giro del impulsor de la bomba. stas bombas desarrollan su carga parcialmente por fuerza centrfuga y parcialmente por el impulso de los alabes sobre el lquido

TIPOS DE BOMBAS CENTRFUGASBombas con impulsor en voladizoEn estas bombas el impulsor es montado en el extremo de la flecha, trasmitiendo en su operacin una fuerza y un momento en cantiliver sobre el (los) rodamientos de la bomba. Bombas con impulsor entre rodamientosEn estos equipos los rodamientos estn situados en los extremos, los cuales soportan la flecha con el impulsor o impulsores, segn sea de un paso o multipasorespectivamente. Bombas tipo turbinaEs una bomba vertical para servicio en pozos o crcamos, donde el nivel del lquidosobrepasa la altura de succin de las bombas horizontales. stas bombas por lo general se construyen con lubricacin por aceite, o por el mismo fluido bombeado (autolubricadas) con tazones y difusores lo cual la hacen conveniente para construcciones multietapas.

Bombas centrifugas horizontalesPara el abastecimiento de agua limpia en el hogar, departamentos, granjas pequeas, etc. Para instalacin en cisterna y llenado de tinaco, desage de fosas. El eje de la bomba y del motor estn a la misma altura. La bomba no debe trabajar en seco ya que necesita el lquido bombeado como lubricante entre anillos rozantes y rodete y entre empaquetadura y eje.

Antes de su puesta en marcha deben quedar cebadas por no ser auto-transpirantes. Este proceso puede ser bastante complejo si la bomba no trabaja en carga y colocada por encima del nivel del lquido. Este caso se presenta muy frecuente con bombas centrfugas horizontales, se debe colocar una vlvula en la parte de la aspiracin de la bomba T algn sistema de cebado.

Ventajas de las bombas centrfugas horizontales En la gran variedad de bombas centrfugas horizontales encontramos las siguientes ventajas. Son de construccin ms barata que las verticales. Su mantenimiento y conservacin es mucho ms sencillo y econmico. El desmontaje de la bomba se puede hacer sin necesidad de mover el motor. No hay que tocar las conexiones de aspiracin e impulsin. Fcil de instalar

FUNCIONAMIENTO BOMBA CENTRIFUGA

Bombas verticalesEste tipo de bomba tiene un eje vertical y elmotor generalmente est encima de la bomba. Esto permite que la bomba trabaje siempre rodeada por el lquido a bombear.

Bombas sumergiblesBombas ideales para sistemas de presin constante, hidroneumticos y hasta sistemas de tinaco. Estas bombas se aseguran del aprovechamiento mximo de toda el agua de tu cisternaEsta bomba tiene un impulsor sellado a la carcasa. El conjunto se sumerge en el lquido a bombear. La ventaja de este tipo de bomba es que puede proporcionar una fuerza de elevacin significativa pues no depende de la presin de aire externa para hacer ascender el lquidoUn sistema de sellos mecnicos se utiliza para prevenir que el lquido que se bombea entre en el motor cause un cortocircuito. La bomba se puede conectar con un tubo, manguera flexible o bajar abajo de los carriles o de los alambres de gua de modo que la bomba siente en "un acoplador del pie de los platos", de tal forma conectndola con la tubera de salida.

CLASIFICACION DE LAS BOMBAS

TIPOS DE BOMBAS PARA ALCANTARILLADO

5. CURVAS DE FUNCIONAMIENTO El comportamiento hidrulico de una bomba viene especificado en sus curvas caractersticas que representan una relacin entre los distintos valores del caudal proporcionado por la misma con otros parmetros como la altura manomtrica, el rendimiento hidrulico, la potencia requerida y la altura de aspiracin, que estn en funcin del tamao, diseo y construccin de la bomba.Estas curvas, obtenidas experimentalmente en un banco de pruebas, son proporcionados por los fabricantes a una velocidad de rotacin determinada (N).Se representan grficamente, colocando en el eje de abcisas los caudales y en el eje de ordenadas las alturas, rendimientos, potencias y alturas de aspiracin. Curva altura manomtrica-caudal. Curva H-Q.Para determinar experimentalmente la relacin H(Q) correspondiente a unas revoluciones (N) dadas, se ha de colocar un vacumetro en la aspiracin y un manmetro en la impulsin, o bien un manmetro diferencial acoplado a dichos puntos. En la tubera de impulsin, aguas abajo del manmetro, se instala una llave de paso que regula el caudal, que ha de ser aforado. La velocidad de rotacin se puede medir con un tacmetro o con un estroboscopio. Con un accionamiento por motor de corriente alterna, dicha velocidad vara muy poco con la carga.La relacin H(Q) tiene forma polinmica con las siguientes formas:H = a + bQ + cQ2H = a + c Q2Las curvas caractersticas H-Q, tpicas de los 3 grupos de bombas vienen indicadas en las siguientes figuras 7.13.La curva que se obtiene corta el eje (Q = 0) en un punto en el que la bomba funciona como agitador, elevando un caudal nulo. Esta situacin se consigue cerrando totalmente la llave de paso en el origen de la tubera de impulsin. El llamado caudal a boca llena es el que corresponde a H=0, dando un caudal mximo.

Curvas caractersticas de tres tipos de bombas hidraulicas. a) Bomba radial centrfuga; b) Bomba helicocentrfuga; c) Bomba de hlice

Curva rendimiento-caudal.El rendimiento de la bomba o rendimiento global es la relacin entre la potencia til o hidrulico y la potencia al freno. Este es, en general, suministrado por los constructores de la bomba, y considera las prdidas por fugas (rendimiento volumtrico) y por rozamientos en ejes y caras del impulsor (rendimiento mecnico).La curva caracterstica rendimiento-caudal para tres tipos de bombas distintas la podemos ver en la figura 7.13.En general la curva del rendimientopodr ajustarse a una expresin del tipo:

El rendimiento es nulo para un caudal nulo y para un caudal mximo. Entre ambos el rendimiento vara, alcanzando el mximo en un punto correspondiente a un cierto caudal, llamado caudal nominal de la bomba, que es aquel para el cual ha sido diseada la bomba. Curva potencia-caudal.En la teora, la potencia suministrada por el eje del impulsor es:Ph= potencia hidrulicaEn la prctica, las perdidas por rozamiento hidrulico, mecnico y las posibles fugas dan lugar a que la potencia al freno P absorbida al motor por el eje de la bomba difiere de Ph. Su valor se obtiene en laboratorio mediante un dinammetro o freno, aplicando la relacin:P = T NSiendo T el par resistente de la bomba, el cual es el producto de [F x r] donde r es el brazo donde se aplica la fuerza tangencial F. N es el numero de revoluciones o vueltas en la unidad de tiempo, o velocidad angular. La relacin entre la potencia hidrulica (P salida) y la potencia al freno (P entrada) mide el rendimiento global. Se determina a partir de la ecuacin:

La potencia absorbida por el eje de la bomba o potencia al freno es la potencia que necesita la bomba para realizar una determinada cantidad de trabajo. Es igual a la potencia hidrulica o potencia que necesita la bomba para elevar el agua, ms la potencia consumida en rozamientos, y viene determinada por la formula:

Donde:P = potencia bomba (w)= peso especfico (N/m3)Q = caudal (m3/s)H = altura manomtrica total (m)= rendimiento de la bomba (/1).Tambin se puede utilizar la siguiente expresin para Potencias expresadas en C.V.

Donde:P = potencia bomba (C.V.)Q = caudal (l/s)H = altura manomtrica total (m)= rendimiento de la bomba (/1).Para cada posicin de la llave de regulacin del caudal, se determinar la potencia P, con lo que la curva caracterstica P (Q) queda determinada con la figura 7.13.La potencia absorbida por la bomba es la que tiene que suministrar el motor (elctrico o combustin o hidrulico) por el rendimiento de dicho motor (m).

Curvas carga neta positiva de aspiracin requerida (NPSHr)-Caudal.

Curvas NPSHr - Q, de 4 bombas iguales pero con distinto dimetro de rodete

La NPSHren una bomba a velocidad constante aumenta con el caudal como se muestra en la figura 7.14. Este tipo de curva se estudiar detalladamente en el punto 9 de este tema.En la figura 7.15 se representa las curvas de igual rendimiento en el diagrama Altura-Caudal para distintas velocidades de giro del rotor. Este grfico, por tanto, nos suministrar informacin de velocidad rotacin, caudal, altura y rendimiento. Por ejemplo, para obtener un caudal de 100 l/s a una altura manomtrica de 30 m se requiere una velocidad de 850 r.p.m. y se obtiene un rendimiento del 70 %, figura 7.15 D).

6. CRITERIOS DE SELECCIN DE EQUIPOS DE BOMBEOPara seleccionar una bomba debemos dar respuesta a las siguientes preguntas:1.- Qu tipo de agua va a bombear?Dependiendo de la calidad del agua, (potable, de ros, de pozos, de lluvias, servidas), se deben escoger bombas con caractersticas de carcasa, rodete, y sello mecnico, adecuadas al trabajo.2.- A que profundidad esta el espejo de agua?Si el espejo de agua o nivel dinmico de un pozo se encuentra a ms de 7 mts de profundidad, sedebe utilizar una bomba sumergible, en caso que el agua este a poca profundidad o sobre la instalacin se debe utilizar una bomba de superficie.3.-Qu caudal o volumen de agua desea bombearEste valor nos sirve para seleccionar la bomba (Q= volumen / tiempo )4.-Qu presin o altura geomtrica desea bombear?Este valor nos sirve paracalcular la altura manomtrica a bombear ( H.m.= altura geomtrica + prdidas de carga + presin til )5.-Qu distancia hay que recorrer?La longitud recorrida en funcin del caudal, nos permite calcular las tuberas y prdidas de carga.6.-Qu tipo de energa dispone?Segn el tipo de energa, se puede instalar una bombaelctrica monofsica 220v o trifsica 380v, si no dispone de electricidad se debe instalar una bomba a combustin ( gasolina, diesel)7.-Utilizar sistema de bombeo manual o automtico?En el caso de riego lo mas comn es arranque manual o con programador. En el caso de redes de agua potable se utilizan, controles de nivel, hidroneumticos, controlador electronico, variador de velocidad.EJEMPLO DE SELECCIN DE BOMBASe requiere bombear agua a estanque elevadoDATOS Altura de succin: 5,0 metrosAltura impulsin: 35 metros Distancia recorrida: 100 metros Empalme elctrico: Trifsico 380v Volumen estanque: 120.000 litros. Tiempo reposicin: 6 horasDESARROLLO Clculo del caudalFormulaQ=V(volumen)120.000=20.000 lt / hora=333 lt/min T(tiempo)6 Clculo de la altura total manomtricaPara calcular la altura, debemos sumar (alturas geomtricas + prdidas de cargas).Altura total geomtrica:40 metrosPrdidas de carga (10% de altura geomtrica):4 metros(40 m.c.a. x 0,1 = 4 mca ) 44 m.c.a. Clculo de dimetros de caeras de succin e impulsinDeben calcularse con mnimas perdidas de cargas . Utilizaremos latabla de clculo PVCLa tubera apropia corresponde aPVC de 90 mmde dimetro Seleccin de la bombaDebemos buscar el punto de trabajo ( Q vs. H) con la mayor eficiencia, la bomba es: Clculo de conductores elctricosUtilizandola tabla de clculo Cable, se debe buscar la corriente del motor y la distancia recorrida ( 14 amper y 100 mt ).En este caso correspondecable tipo AWG 14 de 2,1 mm2

FENOMENOS TRANSITORIOS

CAVITACIONES.

La cavitacin es un fenmeno que se produce cuando el fluido hidrulico disponible no es capaz de llenar todo el espacio existente. En esta situacin el fluido pasa de estado lquido a gaseoso para despus pasar a lquido de nuevo. Este caso se presenta frecuentemente en la entrada de las bombas hidrulicas cuando lascondiciones de alimentacin no son las adecuadaspara conseguir mantener la entrada de la bomba completamente llena de aceite.En tal caso, se producen unas burbujas (o ms correctamente, unas cavidades) que explotan cuando quedan sometidas a la presin del sistema en la zona de impulsin de la bomba.Los motivos por los que puede darse la cavitacin pueden ser: Cambios bruscos de velocidad del fluido. Velocidades de fluido excesivas. Resistencia demasiado elevada en la lnea de aspiracin. Nivel de aceite en el tanque demasiado alejado de la entrada de la bomba. Viscosidad del aceite demasiado elevada.

En la entrada de la mayora de lasbombas hidrulicas, el vaco mximo admisible es de 13 cm Hg. (0,17 bar). De forma ideal, no debera haber vaco alguno a la entrada e, incluso, sera recomendable una presin positiva (sin que sea excesiva para no daar el retn del eje de la bomba); de otra forma, existe la posibilidad de que se produzca el fenmeno de la cavitacin.

Daos provocados por la cavitacinLos daos que se producen cuando hay cavitacin son laerosin del metal dentro de la bomba y la aceleracin del deterioro del fluido hidrulico. Cuando una bomba hidrulica est cavitando se producen vibraciones y un caracterstico ruido similar a la explosin de burbujas por presin. No obstante, el ruido no se detecta hasta que el vaco alcanza un valor de unos 25 cm Hg. (0,33 bar), pero el dao ya est hecho tanto si se oye como si no.

SntomasLa forma ms segura de comprobar si una bomba est cavitando es controlar la lnea de aspiracin mediante la instalacin de un vacumetro. Para evitar la cavitacin se deberan tener en cuenta, en la medida de lo posible, los siguientes puntos: Mantener la entrada de la bomba hidrulica limpia y libre de obstrucciones. Utilizar una tubera de aspiracin de dimetro interno lo suficientemente grande y de longitud lo ms corta posible. Minimizar al mximo el nmero de codos en la lnea de la aspiracin. Mantener las velocidades de rotacin de la bomba dentro de los mrgenes nominales.

Una de las formas ms sencillas de superalimentar la entrada de una bomba es situarla en el circuito hidrulico por debajo del nivel de aceite en el tanque. Cuando esto no es posible o cuando no se pueden crear condiciones favorables de alimentacin, se debera utilizar un tanque presurizado. Otra posibilidad es utilizar una bomba auxiliar para mantener un suministro de aceite a baja presin para la bomba principal. Para este fin, se suele utilizar una bomba de engranajes con una vlvula de seguridad ajustada para mantener la presin de superalimentacin deseada.

Figura 1: Evolucin del estado de un cuerpo (aqu el agua) en funcin de la temperatura y la presin. En este ejemplo la presin es constante (atmosfrica) y la temperatura variable

Figura 2: En este caso la temperatura es constante y la presin variable. A un determinado valor de presin (PCAV (37 C)), el agua pasa a fase gaseosa a 37 C.

GOLPE DE ARIETEQu es el golpe de ariete?La Fsica reconoce el fenmeno denominado golpe de ariete o choque hidrulico, que ocurre cuando vara bruscamente la presin de un fluido dentro de una tubera, motivado por el cierre o abertura de una llave, grifo o vlvula; tambin puede producirse por la puesta en marcha o detencin de un motor o bomba hidrulica. Durante la fluctuacin brusca de la presin el lquido fluye a lo largo de la tubera a una velocidad definida como de propagacin de la onda de choque.

El cambio de presin provoca deformaciones elsticas en el lquido y en las paredesde la tubera. Este fenmeno se considera indeseable porque causa frecuentes roturas en las redes hidrulicas de las ciudades y en las instalaciones intradomiciliarias, y tambin es causante de los sonidos caractersticos que escuchamos en las tuberas cuando abrimos un grifo bruscamente en nuestras casas. Por tal razn, con frecuencia se disean vlvulas de efecto retardado o se instalan dispositivos de seguridad.

El cientfico ruso N. Zhukovski (1847-1921) estudi este fenmeno por primera vezen su obra Sobre el choque hidrulico, como parte de sus indagaciones hidroaeromecnicas, que constituyeron la base terica para la ulterior comprensin del funcionamiento de la bomba de golpe de ariete o ariete hidrulico, lo que demuestra que los fenmenos fsicos (y los naturales en general) no deben asumirse como negativos o positivos, sino como leyes que debemos incorporar a nuestro arsenal cognitivo hacia una armnica actuacin del hombre en la naturaleza y hacia la plenitud creadora del ser humano.

FRMULA DE JOUKOWSKI PARA LA CELERIDAD (VELOCIDAD DE PROPAGACIN) DE LA ONDA DE PRESIN EN UNA TUBERA

Donde: c = celeridad de onda elstica del fluido en la tubera, m/s. Eo = mdulo de elasticidad de volumen de fluido, N/m2. = densidad del fluido, kg/m3. D = dimetro de la tubera, m. E = mdulo de elasticidad del material de la tubera. = espesor de la tubera, m.

Dispositivos para controlar el golpe de ariete

Para evitar este efecto, existen diversos sistemas: Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de vlvulas, hay que estrangular gradualmente la corriente de agua, es decir, cortndola con lentitud utilizando para ello, por ejemplo, vlvulas de rosca. Cuanto ms larga es la tubera, tanto ms deber durar el cierre.

Sin embargo, cuando la interrupcin del flujo se debe a causas incontrolables, por ejemplo, la parada brusca de una bomba elctrica, se utilizan tanquesneumticos con cmara de aire comprimido, torres piezomtricas o vlvulas quepuedan absorber la onda de presin.

Otro mtodo es la colocacin de ventosas de aireacin, preferiblementetrifuncionales (1 funcin: introducir aire cuando en la tubera se extraiga elagua, para evitar que se generen vacos; 2 funcin: extraccin de grandes bolsasde aire que se generen, para evitar que una columna de aire empujada por elagua acabe reventando codos o, como es ms habitual en las crestas de las redesdonde acostumbran a acumularse las bolsas de aire; 3 funcin: extraccin depequeas bolsas de aire, debido a que el sistema de las mismas ventosas por ladotienen un sistema que permite la extraccin de grandes cantidades y otra va paralas pequeas bolsas que se puedan alojar en la misma ventosa) 1 . Otro caso comn de variacin brusca de la velocidad del flujo en la tubera se da en las centrales hidroelctricas, cuando se produce una cada parcial o total de la demanda. En estos casos tratndose de volmenes importantes de agua que deben ser absorbidos, se utilizan en la mayora de los casos torres piezomtricasque se conectan con la presin atmosfrica, o vlvulas de seguridad

Hidrulica Bsica Peralta Barranco Damin