TEORÍA Y PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO -...

BOMBAS HIDRÁULICAS

Emilio Rivera Chávez

MEC-2249MECÁNICA DE FLUIDOS II

2008-2010

TEORÍA Y PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Definición

La bomba hidráulica es una máquina que recibe energíamecánica de una fuente exterior que puede provenir deun motor eléctrico, térmico, etc., y la transforma enenergía que la transfiere a un fluido como energíahidráulica la cual permite que el fluido pueda sertransportado de un lugar a otro, a un mismo nivel y/o adiferentes niveles y/o a diferentes velocidades.

31/05/2010Emilio Rivera Chavez-MEC2249 2

Las bombas mecánicas son la segunda máquina mas común

en el mundo industrial (después de los motores

eléctricos).

mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Elementos Principales

Las bombas mueven un cierto volumende líquido entre dos niveles; son pues,máquinas hidráulicas que transformanun trabajo mecánico en otro de tipohidráulico. Los elementos de queconsta una instalación son:

Una tubería de aspiración

El impulsor

Carcasa (Cámara, caja)

Una tubería de impulsión


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Tipos de bombas hidráulicas


BOMBAS HIDRAÚLICAS

Desplazamiento positivo

Roto Dinámicas

Engranajes, …Pistón (émbolo)

Reciprocantes Rotatorias Centrífugas

Flujo radial, …

Clasificación

mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Estas bombas guían al fluido que sedesplaza a lo largo de toda su trayectoria, elcual siempre está contenido entre elelemento impulsor, que puede ser unembolo, un diente de engranaje, un aspa,un tornillo, etc., y la carcasa o el cilindro. “Elmovimiento del desplazamiento positivo”consiste en el movimiento de un fluidocausado por la disminución del volumen deuna cámara. Por consiguiente, en unamáquina de desplazamiento positivo, elelemento que origina el intercambio deenergía no tiene necesariamentemovimiento alternativo (émbolo), sino quepuede tener movimiento rotatorio (rotor).


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Bombas de desplazamiento positivo

Bombas Reciprocantes

Llamadas también alternativas, en estas máquinas, elelemento que proporciona la energía al fluido lo hace enforma lineal y alternativa. La característica defuncionamiento es sencilla.


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Bomba Rotatoria

Llamadas también roto-estáticas,debido a que son máquinas dedesplazamiento positivo, provistasde movimiento rotatorio, y sondiferentes a las roto-dinámicas.


Estas bombas tienen muchas aplicaciones según el elemento

impulsor. El fluido sale de la bomba en forma constante. Su

principal aplicación es la de manejar líquidos altamente viscosos,

lo que ninguna otra bomba puede realizar y hasta puede carecer

de válvula de admisión de carga.

mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Bomba rotatoria.- de Engranajes


Mientras los engranajes giran y losdientes en el lado de succión se acercan alpunto de engrane de las ruedas, se crea unvacío y el aceite fluye hacia el espacioentre los flancos de los dientes y la paredde la carcasa.

El aceite en las cámaras es transportadohacia el lado de presión de la bomba. Allílos dientes engranan y el aceite es forzadoa salir desde el espacio entre dientes haciael puerto de descarga de la bomba.

El engrane entre dientes evita que el aceite fluya del lado depresión al lado de succión de la bomba. Así el aceite es llevado dellado de succión al lado de presión a lo largo de la pared delalojamiento de los engranajes! La presión en el lado de presión estádeterminada por la resistencia en el sistema.

mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Bomba rotatoria.- de Engranajes


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

BOMBAS DE ACCION DINÁMICA

Estas bombas, se denomina así porque el movimiento de su órganoprincipal transmisor de energía, el rodete, rotativo y la dinámica dela corriente juega un rol esencial en la trasformación de energía. Poresto, también suelen denominarse bombas “rotodinámicas”


Por ello el funcionamiento de estas bombas se basa en laecuación de Euler, para las turbomáquinas.

mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Simple etapaMúltiple etapa

Baja presiónMedia presiónAlta presión Eje horizontal

Eje verticalEje inclinado

Flujo radialFlujo axialFlujo radial-axial

BOMBAS DE ACCION DINÁMICA


Según la

dirección del flujoSegún la presión

generada Según el número

de rodetes

BOMBAS ROTODINAMICAS

Según la

posición del eje

Tipos

bomba de

bomba de

bomba de

bomba de

Independientemente de tipo de bomba rotodinámica,

todas reciben en la practica el nombre de bomba

centrífuga.

mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Bomba Centrifuga

Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica quetransforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio llamadorodete en energía cinética y potencial requeridas. El fluido entrapor el centro del rodete, que dispone de unos álabes paraconducir el fluido, y por efecto de la fuerza centrífuga esimpulsado hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa ocuerpo de la bomba, que por el contorno su forma lo conducehacia las tubuladura de salida o hacia el siguiente rodete(siguiente etapa).


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_(hidr%C3%A1ulica)



http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nica



http://es.wikipedia.org/wiki/Rodete

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cin%C3%A9tica



http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencial

http://es.wikipedia.org/wiki/Fluido

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81labe

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza_centr%C3%ADfuga



Bomba Centrifuga


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Bombas de flujo radial (Radial Flow, centrifugal pump)

una bomba centrífuga, en el que la presión es desarrolladaenteramente por la fuerza centrífuga..

Bombas de Flujo axial (Axial Flow)

una bomba centrífuga, en la que la presión es desarrollada porla acción de impulso o elevación de los álabes del impulsor sobreel líquido.

Bombas de Flujo Mixto (Mixed Flow)

una bomba centrífuga, en la que la presión es desarrollada enparte por la fuerza centrífuga y en parte por la acción delimpulsor sobre el líquido. El diámetro de descarga de losimpulsores es mayor que el de entrada.

Como ya se dijo las bombas “centrifugas” se clasifican

según el la dirección del flujo en:

Bomba Centrifuga


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Conversión de la energía cinética en energía de presión

La idea clave es que la energía creada

por la fuerza centrífuga es energía

cinética. La cantidad de energía dada

al líquido es proporcional a la

velocidad en la extremidad del borde o

del álabe del impulsor. Cuanto más

rápidamente gira el impulsor o cuanto

más grande es el impulsor, entonces

más alta será la velocidad del líquido

en la extremidad del alabe y mayor es

la energía impartida al líquido.

Generación de la Fuerza Centrífuga

El líquido entra en el tubo desucción y luego en el ojo (centro)de un dispositivo que giraconocido como rodete. Cuando elimpulsor rota, hace girar el líquidoque se introduce en las cavidadesentre los alabes hacia fuera yproporciona de esta manera laaceleración centrífuga.


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Bomba Centrifuga

Así el líquido sale del ojo delimpulsor, una zona de baja presiónse crea lo que hace fluir mas líquidohacia la entrada. Debido a que losálabes del impulsor son curvos, ellíquido es empujado hacia adentro enuna dirección tangencial y radial porla fuerza centrífuga.


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II


Bomba Centrifuga


Esta fuerza que actúa

dentro de la bomba es

la misma que guarda el

agua dentro de un

cubo que esté rotando

en el extremo de una

cuerda.

mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II


Bomba Centrifuga


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Bomba Centrifuga

Conversión de la energía cinética en energía de presión

Esta energía cinética del líquido que

sale del impulsor es utilizada para

encaminar al fluido hacia la brida de

impulsión creando una resistencia al

flujo. La primera resistencia es

creada por la voluta de la bomba

(cubierta) ese los retenes el líquido y

lo retarda abajo. En el inyector de la

descarga, el líquido posteriormente

decelera y su velocidad se convierte

en presión de acuerdo con el

principio de Bernoulli.


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Bomba Centrifuga

A bomba centrifuga tienen esencialmente dos partes:

Una parte rotativa compuesta de un impulsor y un eje(flecha).

Una parte estacionaria que comprende la voluta, lacarcasa, y los rodamientos.

Partes Componentes de una Bomba Centrifuga


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Bomba CentrifugaPartes Componentes de una Bomba Centrifuga

La figura mustra todos loas componetes , tanto de la parterotativa como la estacionaria de una bomba centrifuga:

La tubería de aspiración, que concluye prácticamente en labrida de aspiración.


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II


El impulsor o rodete, formado por una serie de álabes que giran dentro deuna carcasa. El rodete va unido solidariamente al eje y es la parte móvil de labomba. El líquido entra axialmente por la tubería de aspiración hasta elcentro del rodete, experimentando un cambio de dirección más o menosbrusco, pasando a radial, (en las centrífugas), o permaneciendo axial, (en lasaxiales).


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II


La voluta está dispuesta en forma de caracol, de tal manera, que la separación entre

ella y el rodete es mínima en la parte superior; la separación va aumentando hasta que

las partículas líquidas se encuentran frente a la abertura de impulsión.

La voluta es un transformador de energía, ya que disminuye la velocidad, aumentando la

presión del líquido a medida que el espacio entre el rodete y la carcasa aumenta.


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II


Tubería de impulsión.- La finalidad de la voluta es la de recoger el líquido agran velocidad, cambiar la dirección de su movimiento y encaminarle hacia labrida de impulsión de la bomba.


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II


Vista en corte de una bomba


La función de la voluta en una bomba

centrifuga es convertir la energía cinetica

impartida al liquido por el impulsor en

energía de presión. Esto se lleva a cabo

mediante reducción de la velocidad por

un aumento gradual del área.

mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Tipos de impulsores


¡Recuerda¡! el impulsor es el

corazón de la bomba

centrífuga. Recibe el líquido

y le imparte una velocidad

de la cual depende la carga

producida por la bomba.

mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Bomba centrifuga multi-etapa.


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e0/Centrifugal_5.png

Modelo matemáticoPolígono de velocidades


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Modelo matemáticoPolígono de velocidades

)(1122 tteje

VrVrQT


1

r1

r2

2

12

u2

vr2

V2

u1

vr1

V1

)(coscos aVuVV rt 1111111

)( bsenVsenVV rn 111111

)(coscos aVuVV rt 20222222

)( bsenVsenVV rn 222222

Del los diagramas de velocidades se tiene:

1

2

El par en el eje esta dato por la ecuación de Euler:

mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Para condiciones de máxima potencia, el ángulo 1 debe tener un valor ideal de 90.Es decirque la velocidad absoluta de entrada debe ser radial, es decir que la componente tangencial a

la entrada Vt1 es cero. En estas condiciones la potencia y la altura de Euler están dadas por:

Modelo matemáticoAltura de Euler

)5()cos(222

VrQPm

)3()coscos(111222

VrVrQPm

)6()cos(

22222

g

Vu

g

VrH t

u


La potencia mecánica a partir de la ecuaciónde Euler se puede escribir de la siguientemanera:

1

r1

r2

2

12

u2

vr2

V2

u1

vr1

V1

La cabeza o áltura de carga de Euler seobtiene dividiendo ambos miembros de

la ecuación 3 entre gQ

mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

)coscos(111222

VrVr

gQg

PH m

u

)(1122 ttu

VrVrg

H

)4(1122

g

VuVuH tt

u

Modelo matemáticoAltura de carga (cabeza) vs. Caudal

2222

2

2222

ctgVu

sen

VuV n

n coscos

)7(

cos2222222

g

ctgVuu

g

VuH n


22222 coscos rVuV

2

22222

sen

VVsenVV n

rrn

bD

QVbDVAVQ nnflujon

2

22222

)()(

)8(

2

2

2

2

2

222

2

2

g

ctgbD

Quu

g

ctgVuuH n

)9(

2

22

2

2 QbDg

ctgu

g

uH

Combinando adecuadamente las ecuaciones anteriores se tiene:

De la ecuación (2a).-

De la ecuación (2b).-

Y combinado estas las

ecuaciones anteriores, se tiene.-

Reemplazando en la ecuación

(6), se obtiene.-

Por otra parte a partir de la

definición de caudal, se puede

calcular Vn2, así.-

Sustituyendo este resultado en

(7).-

Finalmente se puede escribir.-

mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II


)(721 QCCH


bDg

ctguCy

g

uC

2

222

2

21

2>90

2=90 (válvula cerrada)

2<90

La ecuación anterior (7) muestra que la carga (cabeza) de una bomba es, teóricamente, una función lineal del caudal., para fines de análisis esta ecuación conviene expresarla del siguiente modo:

Donde:

mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

6

2

2

2

2

0

r

g

uH

Q

H

)(721 QCCH


bDg

ctguCy

g

uC

2

222

2

21

Punto óptimo de funcionamiento

Curva H vs. Q

Pérdidas por fricción de flujo interno

Efecto de flujo circulatorio.

Pérdidas por impacto en

condiciones de no diseño.

H=Ho- CQ2

mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II


Typical system and pump performance

curves


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

hp

spielb550P

Qp

(

6012


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

Q p P cfm pca. hp %

6000 2.1 2.75 72.2

8000 2 3.18 79.3

10000 1.76 3.48 79.7

12000 1.37 3.51 73.8

14000 0.92 3.5 58.0

16000 0.42 3.22 32.9

Problema

hp

spielb550P

Qp

(

6012

Los datos de funcionamiento de un ventilador

centrifugo de 36.5 pulg. De diámetro, probado a

600 rpm, se muestran en la tabla. Grafique los

datos de funcionamiento contra la relación de

flujo volumétrico. Encuentre el punto de máxima

eficiencia y especifique la capacidad nominal del

ventilador en ese punto.

80

Q9000 cfm

Curvas de opereación

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Millares

Q (cfm)

dp

; P

"Incremento de

presión"

"Entrada de

Potencia"

eficiencia

estática

100

0

miles

problema


Una bomba centrifuga toma 200 galones por minuto desde una

presión de 13 psi hasta una presión p2. El diámetro interno del

impulsor es 3 pulg. Y el diámetro externo de este es 0.8 pies. Si

la potencia de la bomba es de 26.5 hp al girar a una velocidad de

1750 rpm. ¿Cuál debería ser el ángulo 2 del álabe? La eficiencia

es 80%. El ancho de los álabes es b=2 pulg. Si el fluido de salida

se encuentra a la misma elevación del fluido de entrada. ¿Cuál

es p2?

mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

S

E

Altura hidráulica desarrollada por una bomba centrífuga.

La altura hidráulica útil o neta, H,desarrollada por una bomba sedetermina midiendo la presión enaspiración y en la salida de labomba, calculando lasvelocidades mediante la divisióndel caudal de salida entre lasrespectivas áreas de lassecciones transversales yteniendo en cuenta la diferenciade altura entre la aspiración y ladescarga.

31/05/2010 37Emilio Rivera Chavez-MEC2249

H


Altura útil o altura efectiva H que da la bomba esla altura que imparte el rodete o la altura teórica,Hu, menos las pérdidas en el interior de la bomba,Hr-int

int

ruHHH


uuHHH

uHH )1(

uhHH

urHH

int



E

S

1

2

ZE

ZS

Z2



E

S

1

2

ZE

ZS

Z2

g

pZ

g

VH

g

pZ

g

VS

S

SE

E

E

22

22

g

ppZZ

g

VVH ES

ES

ES

2

22

g

ppH ES

Recuerda: La altura útil es la diferencia de alturas totales

entre la salida y la entrada de la bomba. Esta diferencia es el

incremento de altura útil comunicada por la bomba al fluido

El término ZS-ZE suele ser o muy pequeño o igual a cero en las bombas de eje vertical.

La diferencia de energía cinética también suele ser igual a cero o despreciable.

Entonces algunas veces exactamente y en otras muy aproximadamente la altura útil es

igual a:

g

pZ

g

V

g

pZ

g

VH E

E

ES

S

S

22

22



E

S

1

2

ZE

ZS

Z2

extrH

g

pZ

g

VH

g

pZ

g

V

2

2

2

21

1

2

1

22

extrH

g

ppZZ

g

VVH

12

12

2

1

2

2

2

sucrasprHHZH

2

extrHZH

2

Potencia de accionamiento de una bomba centrífuga.


TPa

m

u

a

gQHP

hm

a

HgQP

Pr

QQQ QQr

1

QQVr

v

r

hm

a

QHgP

hvmtotal

Potencia útil

Se define como la potencia absorbida por el líquido en la bomba y

es proporcional a la altura de carga útil. (carga hidrostática neta) por

lo que se puede calcular a partir de este último parámetro.

uhutilHgQgQHP

Ventiladores, soplantes ycompresores

Un ventilador es esencialmente una “bomba” de gas.

Es una turbomaquina hidraulica generadora para gases

ΔP≤100mBar entonces es VENTILADOR

ΔP≥100mBar entonces es SOPLANTE


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II


mec

224

9,M

ecán

ica

de

flu

ido

s II

El principio de funcionamiento de los ventiladores es el

mismo que el de las bombas.

Las ecuaciones fundamentales, tales como la de Euler,

perdidas, rendimientos, etc. son validas para los

ventiladores si se considera que a bajas presiones, las

variaciones de peso especifico son despreciables (flujo

incompresible).

Ventiladores, soplantes ycompresores

Fin de la presentación


TEORÍA Y PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO -...

Documents

Transcript of TEORÍA Y PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO -...