Solución de problemas de sistemas de bombeo: Problemas propuestos y su solución

Problema 19-19

Problema 19-23

Problema 19-26  

Problema 19-32

Bibliografía.

Título: Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas.

Autor: Claudio Mataix.

Editorial Oxford.

Solución de problemas de sistemas de bombeo: Formulario

Formula Rio by Omar Bolaños Padilla

Turbomáquinas Hidráulicas: Turbinas

La turbina es una turbomáquina motora, y por tanto esencialmente es una bomba rotodinámica que trabaja a la inversa. Así como una bomba absorbe energía mecánica y restituye energía al fluido una turbina absorbe energía del fluido y restituye energía mecánica.

Clasificación de las turbinas hidráulicas.

Una turbina hidráulica es un elemento que aprovecha la energía cinética y potencial del agua para producir un movimiento de rotación capaz de transformar la energía mecánica en energía eléctrica.

Una turbina hidráulica es accionada por el agua en movimiento, una vez que ésta es debidamente encauzada hacia el elemento de turbina denominado distribuidor, el cual, circularmente, distribuye, regula y dirige un caudal de agua que tiende a incidir, con mayor o menor amplitud, hacia el centro del círculo descrito, sobre un rotor o rueda móvil conocida con el nombre de rodete, que, conjuntamente con el eje en el que está montado, ha de estar perfectamente equilibrado dinámica y estáticamente.

Son diversas las razones de tipo técnico que dan base para establecer una clasificación de las turbinas hidráulicas. Razones que, en la mayoría de los casos, se complementan entre sí, para definir e identificar ampliamente a un determinado tipo de turbina. Los argumentos considerados y las clasificaciones derivadas de los mismos, explicándose oportunamente los conceptos que procedan.

Por el número de revoluciones específicas

·         Turbinas Lentas

·         Turbinas Normales

·         Turbinas Rápidas

·         Turbinas Extra-rápidas

Según la posición del eje

·         Turbinas Horizontales.

·         Turbinas Verticales.

Por la manera de actuar los chorros de agua

El rodete es el elemento esencial de la turbina, estando provisto de álabes en los que tiene lugar el intercambio de energía entre el agua y la máquina. Atendiendo a que la presión varíe o no en el rodete, las turbinas se clasifican en:

·         Turbinas de acción o impulsión

·         Turbinas de reacción o sobrepresión

En las turbinas de acción, el empuje y la acción del agua, coinciden, mientras que en las turbinas de reacción, el empuje y la acción del agua son opuestos.

Por la dirección del agua

Atendiendo a la dirección de entrada del agua en las turbinas, éstas pueden clasificarse en:

·         Turbinas Radiales.

·         Turbinas Axiales.

·         Turbinas Mixtas.

·         Turbinas Tangenciales.

En las axiales, (Kaplan, hélice, Bulbo), el agua entra paralelamente al eje. En las radiales, el agua entra perpendicularmente al eje, siendo centrífugas cuando el agua vaya de dentro hacia afuera, y centrípetas, cuando el agua vaya de afuera hacia adentro, (Francis). En las mixtas se tiene una combinación de las anteriores. En las tangenciales, el agua entra lateral o tangencialmente (Pelton) contra las palas, cangilones o cucharas de la rueda.

Por las características de la cámara

·         Turbinas de Cámara Cerrada.

·         Turbinas de Cámara Abierta.

Por la función desarrollada

·         Turbinas Reversibles.

·         Turbinas No Reversibles. Destinadas sólo a producir trabajo mecánico.

Turbinas de reacción

Turbina Francis (1849): es radial centrípeta, con tubo de aspiración; el rodete es de fácil acceso, por lo que es muy práctica. Es fácilmente regulable y funciona a un elevado número de revoluciones; es el tipo más empleado, y se utiliza en saltos variables, desde 0,5 m hasta 180 m; pueden ser, lentas, normales, rápidas y extra-rápidas.

Turbina Kaplan (1912): las palas del rodete tienen forma de hélice; se emplea en saltos de pequeña altura, obteniéndose con ella elevados rendimientos, siendo las palas orientables lo que implica paso variable. Si las palas son fijas, se denominan turbinas hélice.

Turbinas de acción

Turbina Pelton: es tangencial, y la más utilizada para grandes saltos hidráulicos de bajo caudal; donde la energía cinética del agua, en forma de chorro libre, se genera en una tobera colocada al final de la tubería a presión. La tobera está provista de una aguja de cierre para regular el gasto, constituyendo en conjunto, el órgano de alimentación y de regulación de la turbina. Encuentra justa aplicación la turbina Pelton, en aquellos aprovechamientos hidráulicos donde la ponderación de la carga es importante respecto al caudal. La velocidad especifica es baja, entre 10 y 60 en el sistema métrico y entre 2 y 12 en el sistema ingles aproximadamente, siendo preferibles valores centrales entre estos límites por razones del rendimiento, el cual es del orden del 90% y se conserva bastante bien a carga parcial.

Cavitación

¿Qué es la cavitación?

La cavitación es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido, en determinadas condiciones, pasa a estado gaseoso y unos instantes después pasa nuevamente a estado líquido.

Este fenómeno tiene dos fases:

·         Fase 1. - Cambio de estado líquido a estado gaseoso.

·         Fase 2. - Cambio de estado gaseoso a estado líquido.

¿Cuándo puede haber cavitación?

La cavitación es un fenómeno muy frecuente en sistemas hidráulicos donde se dan cambios bruscos de la velocidad del líquido. Ejemplos:

En partes móviles:

·         Álabes de turbinas

·         Rodetes de bombas

·         Hélices de barcos

En partes no móviles:

·         Estrangulamientos bruscos

·         Regulación mediante orificios

·         En válvulas reguladoras

¿Cómo aparece la cavitación?

Un líquido se evapora cuando la energía no es suficiente para mantener las moléculas unidas, entonces estas se separan unas de otras y aparecen burbujas de vapor. En las siguientes imágenes se muestra como ocurre esto para el caso más común, el agua.

Tipos de bombas y turbinas

INTRODUCCIÓN.

Un equipo de bombeo es un transformador de energía, mecánica que puede proceder de un motor eléctrico, térmico, etc. Y la convierte en energía, que un fluido adquiere en forma de presión, de posición y de velocidad.

Así se tendrán bombas que funcionen para cambiar la posición de un cierto fluido. Por ejemplo la bomba de pozo profundo, que adiciona energía para que el agua del subsuelo se eleve a la superficie.

Un ejemplo de bombas que adicionan energía de presión sería una bomba en un oleoducto, en donde las cotas de altura así como los diámetros de tuberías y consecuentemente las velocidades fuesen iguales, en tanto que la presión fuesen iguales, en tanto que la presión fuese incrementada para poder vencer las pérdidas de fricción que se tuviesen en la conducción.

Existen bombas que trabajan con presiones y alturas iguales que únicamente adicionan energía de velocidad. Sin embargo a este respecto hay muchas confusiones en los términos presión y velocidad por la acepción que llevan implícita de las expresiones fuerza-tiempo. En la mayoría de las aplicaciones de energía conferida por la bomba es una mezcla de las tres. Las cuales se comportan de acuerdo con las ecuaciones fundamentales de la mecánica de fluidos.

Lo inverso a lo que sucede en una bomba se tiene en una máquina llamada comúnmente turbina, la cual transforma la energía de un fluido en sus diferentes componentes citadas en energía mecánica.

DESARROLLO.

Las diferencias entre bomba y turbina hidráulica son evidentes ya que el objetivo de ambas es opuesto. La primera aspira agua a baja presión con tal de devolverla con una presión más alta, mientras que la turbina recoge agua a elevada presión para conseguir movimiento rotatorio en su interior, devolviendo el agua a una menor presión. Una bomba hidráulica mueve el agua mediante un motor eléctrico mientras que en una turbina hidráulica el agua mueve un generador que crea electricidad. Las condiciones a las que trabajan ambas turbo-máquinas tampoco son parecidas, puesto que una turbina normalmente trabajará con presiones muy altas, porque su objetivo es generar cuanta más electricidad sea posible, mientras que una bomba estará adaptada a la necesidad de la situación.

Una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud.

Clasificación de las bombas por el tipo de succión.

Las bombas, de acuerdo con su tipo de succión, se pueden catalogar en:

l. Simple succión,

2. Doble succión (ambos lados del impulsor),

3. Succión negativa (nivel del líquido inferior al de la bomba),

4. Succión positiva (nivel del líquido superior al de la bomba).

5, Succión a presión (la bomba succiona el líquido de una cámara hermética donde se encuentra ahogada y a donde llega el líquido a presión).

Clasificación de las bombas por el tipo de material de sus partes. Las designaciones del material frecuentemente usadas para bombas son:

1. Bomba estándar (fierro y bronce).

2. Bomba toda de fierro.

3. Bomba toda de bronce.

4. Bombas de acero con partes internas de fierro o acero inoxidable.

5. Bombas de acero inoxidable.

Las bombas se clasifican en dos partes:

-bombas de desplazamiento positivo

-bombas dinámicas

Bombas de desplazamiento positivo

Las bombas de este tipo son bombas de desplazamiento que crean la succión y la descarga, desplazando agua con un elemento móvil. El espacio que ocupa el agua se llena y vacía alternativamente forzando y extrayendo el líquido mediante movimiento mecánico. Este tipo de bomba resulta el más útil para presiones extremadamente altas, para operación manual, para descargas relativamente bajas, para operación a baja velocidad, para succiones variables y para pozos profundos cuando la capacidad de bombeo requerida es muy poca.

Las bombas de desplazamiento positivo pueden ser:

-reciprocantes

-rotatorias

Bombas reciprocantes

En las bombas reciprocantes el pistón crea un vacío parcial dentro del cilindro permitiendo que el agua se eleve ayudada por la presión atmosférica. Como hace falta un espacio determinado de tiempo para que se llene el cilindro, la cantidad de agua que entra al espacio de desplazamiento dependerá de la velocidad de la bomba, el tamaño de las válvulas de entrada y la efectividad del material sellante de las válvulas y del pistón.

Las ventajas de las bombas reciprocantes de pozo llano son:

-  Alta presión disponible

-  Autocebantes (dentro de ciertos límites)

-  Flujo constante para cargas a presión variable

-  Adaptabilidad a ser movidas manualmente o por motor

Las desventajas son:

-  Baja descarga

-  Baja eficiencia comparada con las bombas centrifugas

-  Muchas partes móviles

-  Requieren mantenimiento a intervalos frecuentes

-  Succión limitada

-  Costo relativamente alto para la cantidad de agua suministrada

-  Requieren un torque considerable para llevarlas a su velocidad

-  Flujo pulsante en la descarga

Bombas rotatorias

Consisten en una caja fija que contiene engranes, aspas u otros dispositivos que rotan, y que actúan sobre el líquido atrapándolo en pequeños volúmenes entre las paredes de la caja y el dispositivo que rota, desplazando de este modo el líquido de manera similar a como lo hace el pistón de una bomba reciprocante. Pero las bombas rotatorias en vez de suministrar un flujo pulsante como sucede con las bombas reciprocantes, descargan un flujo uniforme, por el movimiento de rotación de los engranes que es bastante rápido.

Características principales:

- Son de acción positiva

- Desplazamiento rotativo

- Flujo uniforme

- Construcción compacta

- Carga alta

- Descarga relativamente baja

- Velocidades de operación de moderadas a altas

- Pocas partes móviles

- Requieren toda la potencia para llevarlas a su velocidad de operación

- Flujo constante dentro de ciertos límites para carga variable

- Aspiración limitada

Bombas dinámicas

Las bombas dinámicas son en las cuales se añade energía continuamente, para incrementar las velocidades de los fluidos dentro de la máquina a valores mayores de los que existen en la descarga, de manera que la subsecuente reducción en velocidad dentro, o más allá de la bomba, produce un incremento en la presión.

Las bombas dinámicas se pueden clasificar en:

-Bombas centrifugas

-Bombas periféricas

Bombas centrifugas

Son aquellas en que el fluido ingresa a ésta por el eje y sale  siguiendo una trayectoria periférica por la tangente. Las bombas centrífugas, debido a sus características, son las bombas que más se aplican en la industria. Las razones de estas preferencias son las siguientes:

-Son aparatos giratorios.

-No tienen órganos articulados y los mecanismos de acoplamiento son muy sencillos.

-La impulsión eléctrica del motor que la mueve es bastante sencilla.

-Para una operación definida, el gasto es constante y no se requiere dispositivo regulador.

-Se adaptan con facilidad a muchas circunstancias.

Aparte de las ventajas ya enumeradas, se unen las siguientes ventajas económicas:

-El precio de una bomba centrífuga es aproximadamente ¼ del precio de la bomba de émbolo equivalente.

-El espacio requerido es aproximadamente 1/8 del de la bomba de émbolo equivalente.

-El peso es muy pequeño y por lo tanto las cimentaciones también lo son.

-El mantenimiento de una bomba centrífuga sólo se reduce a renovar el aceite de las chumaceras, los empaques del prensa-estopa y el número de elementos a cambiar es muy pequeño.

Bombas periféricas

Son también conocidas como bombas tipo turbina, de vértice y regenerativas, en este tipo se producen remolinos en el líquido por medio de los álabes a velocidades muy altas, dentro del canal anular donde gira el impulsor. El líquido va recibiendo impulsos de energía  No se debe confundir a las bombas tipo difusor de pozo profundo, llamadas frecuentemente bombas turbinas aunque no se asemeja en nada a la bomba periférica. La verdadera bomba turbina es la usada  en centrales hidroeléctricas tipo embalse llamadas también  de Acumulación y Bombeo, donde la bomba consume potencia; en determinado momento, puede actuar también como turbina para entregar potencia.

Turbina

Una turbina hidráulica es una turbomáquina motora hidráulica, que aprovecha la energía de un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la energía mecánica en eléctrica, así son el órgano fundamental de una central hidroeléctrica.

Por ser turbomáquinas siguen la misma clasificación de estas, y pertenecen, obviamente, al subgrupo de las turbomáquinas hidráulicas y al subgrupo de las turbomáquinas motoras. En el lenguaje común de las turbinas hidráulicas se suele hablar en función de las siguientes clasificaciones:

De acuerdo al cambio de presión en el rodete o al grado de reacción

Turbinas de acción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo no sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.

Turbinas de reacción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo si sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.

Para clasificar a una turbina dentro de esta categoría se requiere calcular el grado de reacción de la misma. Las turbinas de acción aprovechan únicamente la velocidad del flujo de agua, mientras que las de reacción aprovechan además la pérdida de presión que se produce en su interior.

De acuerdo al diseño del rodete

Esta clasificación es la más determinista, ya que entre las distintas de cada género las diferencias sólo pueden ser de tamaño, ángulo de los álabes o cangilones, o de otras partes de la turbomáquina distinta al rodete. Los tipos más importantes son:

Turbina Kaplan: son turbinas axiales, que tienen la particularidad de poder variar el ángulo de sus palas durante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua pequeños y con grandes caudales.(Turbina de reacción)

Turbina Hélice: son exactamente iguales a las turbinas kaplan, pero a diferencia de estas, no son capaces de variar el ángulo de sus palas.

Turbina Pelton: Son turbinas de flujo transversal, y de admisión parcial. Directamente de la evolución de los antiguos molinos de agua, y en vez de contar con álabes o palas se dice que tiene cucharas. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua muy grandes, pero con caudales pequeños.(Turbina de acción)

Turbina Francis: Son turbinas de flujo mixto y de reacción. Existen algunos diseños complejos que son capaces de variar el ángulo de sus álabes durante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua medios y caudal medios.

Turbina Ossberger / Banki / Michell: La turbina Ossberger es una turbina de libre desviación, de admisión radial y parcial. Debido a su número específico de revoluciones cuenta entre las turbinas de régimen lento. El distribuidor imprime al chorro de agua una sección rectangular, y éste circula por la corona de paletas del rodete en forma de cilindro, primero desde fuera hacia dentro y, a continuación, después de haber pasado por el interior del rodete, desde dentro hacia fuera.

Es una turbina hidráulica de impulso diseñada para saltos de desnivel medio. El rodete de una Turgo se parece a un rodete Pelton partido por la mitad. Para la misma potencia, el rodete Turgo tiene la mitad del diámetro que el de un rodete Pelton y dobla la velocidad específica.

Las bombas y turbinas se usan para diferentes cosas. Dependiendo el uso que se les quiera dar será el tipo de bomba que se usara, es por eso que hay varios tipos de bombas y turbinas, para el seleccionamiento de alguna bomba se tendrá que tomar en cuanta algunos aspectos tales como:

- Índice de acidez-alcalinidad (pH) .

- Condiciones de viscosidad.

-Temperatura.

- Presión de vaporización del líquido a la temperatura de bombeo.

- Densidad.

- Condiciones de abrasión.

- Contenido de impurezas.

CONCLUSIONES.

Para una mayor claridad, buscando una analogía con las máquinas eléctricas, y para el caso específico del agua, una bomba sería un generador hidráulico, en tanto que una turbina sería un motor hidráulico. Normalmente un generador hidráulico (bomba) es accionado por un motor eléctrico, térmico, etc. mientras que un motor hidráulico (turbina) acciona un generador eléctrico.

Tratándose de fluidos compresibles el generador suele llamarse compresor y el motor puede ser una turbina de aire, gas o simplemente un motor térmico.

La clasificación que se menciona parece ser la más adecuada sin embargo, puede ser útil conocer dentro de esta clasificación algunas características o situaciones que ayudara a seleccionar la bomba más adecuada. Si por ejemplo estás pueden ser clasificadas de la siguiente manera; según el sistema donde funcionarán o la forma física de ella. Para la primera clasificación que es conocer el sistema donde la bomba tendrá su funcionamiento.

Consiste en saber si la bomba succionara del recipiente y con alturas variables o si la bomba se instalará en un sumidero o en una fosa. Así mismo en necesario el líquido que la bomba manejará: si con volátiles, viscosos, calientes o pastas aguadas, que así se manejará el concepto de densidad y partículas que la bomba pueda impulsar.

Respecto a la forma física de la bomba se debe tener en cuenta que existen bombas de eje horizontal o vertical, ambas de empujes centros o de desplazamiento positivo, baja o alta velocidad, también la especificación de los materiales deben ser compatibles con los líquidos que se bombearán.

Una práctica común es definir la capacidad de una bomba con el número adimensional llamado velocidad específica, que es función del número de revoluciones a las que giren sus participantes rotatorias, de la siguiente forma se puede ser de alta o baja velocidad.

BIBLIOGRAFÍA.

Viejo Zubicaray, M. (2003). Bombas: Teoría, diseño y aplicaciones. México: Limusa.

Glosario

PARTES DE UNA BOMBA

ANILLOS DE DESGASTE: La función del anillo de desgaste es el tener un elemento fácil  y barato de remover en aquellas partes en donde, debido a las cerradas holguras que se producen entre el impulsor que gira y la carcasa fija, la presencia del desgaste es casi segura.

BOMBA: Una bomba hidráulica es un medio para convertir energía mecánica en energía fluida o hidráulica.

CARCAZA: La función de la carcasa en una bomba centrífuga es convertir la energía de velocidad impartida al líquido por el impulsor en energía de presión. Esto se lleva a cabo mediante reducción de la velocidad por un aumento gradual del área.

COJINETES: El objeto de los cojinetes es soportar la flecha de todo el rotor en un alineamiento correcto en relación con las partes estacionarias. Por medio de un correcto diseño soportan las cargas radiales y axiales existentes en la bomba.

EMPAQUES Y SELLOS: La función de éstos es evitar el flujo hacia afuera, del líquido bombeado a través del orificio por donde pasa la flecha de la bomba, y el flujo de aire hacia el interior de la bomba.

FLECHAS: La flecha de una bomba centrífuga es el eje de todos los elementos que giran en ella, transmitiendo además el movimiento que le imparte la flecha del motor.

IMPULSOR: El elemento rotativo de una bomba centrífuga se denomina impulsor. La forma del impulsor puede forzar al agua a salir en un plano perpendicular a su eje (flujo radial); puede dar al agua una velocidad con componentes tanto axial como radial (flujo mixto) o puede inducir un flujo en espiral en cilindros coaxiales según la dirección del eje (flujo axial).

Clasificación de las máquinas hidráulicas

Una vez definidas y delimitadas las máquinas hidráulicas, en este apartado se presentan las diferentes clasificaciones.

El primer criterio que aplicaremos por ser el más importante es el que clasifica las máquinas hidráulicas atendiendo a su principio de funcionamiento: se las tienen turbomáquinas, y las máquinas de desplazamiento positivo.

Las Turbomáquinas basan su funcionamiento en el teorema de la cantidad de movimiento, o en el teorema del momento de la cantidad de movimiento, también llamado teorema del momento cinético, que al aplicarlo a estas máquinas se denomina Teorema de Euler o teorema fundamental de las turbomáquinas.

Todas las turbomáquinas disponen de un órgano fundamental que gira sobre su eje, donde se produce el intercambio de energía, que recibe el nombre de rodete o impulsor. Estas máquinas se denominan también rotodinámicas o simplemente dinámicas.

Las máquinas de desplazamiento positivo se fundamentan en el teorema de Pascal, es decir la máquina consigue incrementar la presión en un punto, transmitiéndole la presión hidrostática íntegramente a todo el fluido que se encuentra aguas abajo.

Las bombas hidráulicas de desplazamiento positivo, también llamadas volumétricas, consiguen de forma diversa, mediante succión, atrapar el líquido en un pequeño recinto y cerrado éste, lo desplazan hacia otro punto de la máquina sometido a presión donde lo depositan. La presión obtenida por la bomba será la que exista en su salida, es decir depende de la instalación en la que trabaja. Estas máquinas son reversibles, es decir que si se aplica una presión en una parte de la máquina se pueden desplazar los órganos de éste, constituyendo un motor hidráulico.

Un criterio para clasificar las máquinas hidráulicas que conduce a una división muy importante es el sentido de conversión de energía. Para dejar más claro lo anterior, la clasificación de las bombas se muestra en el siguiente esquema: