TRABAJO 3

INVESTIGACIÓN SOBRE MAQUINAS HIDRAULICAS Y SUS APLICACIONES

DIEGO FELIPE PATARROYO CHAPARRO Código: 25422300HAROLD ANDRES GUERRERO ESTEVEZ Código:

HIDRAULICA BASICA

Presentado a: Rafael Orlando Ortiz

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIAFACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AGRÍCOLABOGOTÁ

2016INTRODUCCION:

En este informe se presenta una breve investigación sobre las maquinas hidráulicas que son elementos muy importantes en esta rama de la ingeniería civil, además de ser elementos con los que convivimos y usamos a diario, con el fin de extender nuestro conocimiento sobre la hidráulica, su funcionamiento, y las variedades que podemos encontrar en este campo de acción.

Maquinas hidráulicas:

Una maquina hidráulica es un transformador de energía, ya que recibe 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, o de velocidad.

Otra definición puede ser: máquina hidráulica (bomba), es un dispositivo empleado para elevar, transferir o comprimir líquidos y gases. En todas ellas se toman medidas para evitar la cavitación (formación de un vacío), que reduciría el flujo y dañaría la estructura de la bomba

Para una mayor claridad, buscando una analogía con las maquinas eléctricas, y por el caso especificó del agua, una bomba sería un generador hidráulico.

Es conveniente no confundirse con la función que realiza una turbina, ya que la turbina realiza una función inversa al de una bomba, esto es, transforma energía de un fluido en energía mecánica.

Debido a las características y propiedades de determinados fluidos incompresibles, pueden llegar a ser necesarios o útiles para cumplir algún propósito o realizar problemas.

Por medio de máquinas hidráulicas podemos aprovechar la energía que nos pueda proporcionar un fluido o transferir energía a un fluido ya sea altura presión o velocidad.

En una maquina hidráulica, el tipo de flujo que esta contenga puede ser de naturaleza laminar o turbulenta, aunque lo más común es manejar flujos turbulentos además de tridimensional y no estacionario, lo que hace complicado el análisis y diseño de las maquinas, pueden clasificarse siguiendo distintos criterios, algunos de los más importantes son:

Según el sentido de la transmisión de energía. Según la compresibilidad del fluido. Según el principio de funcionamiento. Según el sentido de la transmisión.

Las máquinas hidráulicas son aquellas que transportan fluidos sin aprovechar la entropía que estos tienen o que utilizan como medio intercambiador de energía un fluido que se comporta como incompresible. De una manera más simple una máquina hidráulica se puede definir como un dispositivo transformador de energía, es decir, la máquina recibe una forma de energía y genera otra forma de energía.

La clasificación de las máquinas hidráulicas es debida a la dirección de la transferencia de energía:

Consumen energía (Bombas): En las cuales las paredes sólidas móviles ceden trabajo al fluido.

Producen energía (Turbinas): En las cuales el fluido cede trabajo a las paredes sólidas móviles.

1. Bombas:

Máquina que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido incompresible que mueve. El fluido puede ser líquido, o una mezcla de líquidos y sólidos como el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel.

1.1 Funcionamiento:

El movimiento del agua y otros líquidos y gases se hace creando una diferencia de presión entre dos puntos por succión, compresión, vacío, empuje y otros medios. El accionamiento de las bombas puede ser con energía humana (bomba manual), humana o animal (noria), animal (malacate), motor eléctrico (turbina y otras), eólica (molino de viento), o incluso con la energía de una corriente de agua (ariete, molino de agua).

Las bombas absorben energía mecánica en el eje y entregan energía hidráulica a un líquido, el cual está siendo bombeado por una tubería. La bomba hidráulica al ser un motor genera un caudal y una fuerza determinada de salida, cualquier tipo de bomba realiza esta transformación con el fin de aumentar la presión del fluido que recorre sus cavidades.

1.2 Clasificación:

Para una clasificación de los diferentes tipos de bombas hidráulicas, se deben conocer los términos más importantes para evaluar sus méritos, ellos son:

Amplitud de presión: Son los límites máximos de presión con los cuales una bomba puede funcionar adecuadamente. Las unidades más usadas son kg/cm2 o lb/plg2.

Volumen: Es la cantidad de fluido que una bomba puede entregar a la presión de operación. Las unidades son L/min o gal/min.

Amplitud de la velocidad: Se constituyen en los límites máximo y mínimo en los cuales las condiciones a la entrada y soporte de la carga permitirán a la bomba funcionar satisfactoriamente. La unidad empleada es r.p.m.

Eficiencia mecánica: Se puede determinar mediante la relación entre el caballaje teórico a la entrada, necesario para un volumen específico en una presión específica y el caballaje real a la entrada necesario para el volumen específico a la presión específica.

Eficiencia volumétrica: Se puede determinar mediante la relación entre el volumen teórico de salida a 0 lb/plg2 (kg/cm2) y el volumen real a cualquier presión asignada.

Eficiencia total: Se puede determinar mediante el producto entre la eficiencia mecánica y la eficiencia volumétrica.

Las bombas deben seleccionarse según el concepto del trabajo a realizar, con base a: presión máxima de trabajo; rendimiento de la bomba; precisión y seguridad de operación; fácil mantenimiento; máximo flujo; control requerido en la fase de arranque.

Las características mecánicas de las bombas son definidas por las condiciones de la operación, como presión, temperaturas, condiciones de succión y el material bombeado. Las características hidráulicas son inherentes a cada tipo de bomba y están influidos por la densidad, viscosidad, tipo de accionamiento y tipo de control.

1.3 Tipos de bomba:

Existe una ambigüedad en la utilización del término bomba, ya que generalmente es utilizado para referirse a las máquinas de fluido que transfieren energía, o bombean fluidos incompresibles, y por lo tanto no alteran la densidad de su fluido de trabajo, a diferencia de otras máquinas como lo son los compresores, cuyo campo de aplicación es la neumática y no la hidráulica.

Pero también es común encontrar el término bomba para referirse a máquinas que bombean otro tipo de fluidos, así como lo son las bombas de vacío o las bombas de aire.

Para la clasificación de las bombas existen dos criterios:

1.3.1 Según el principio de funcionamiento:

Se basa en el tipo o aplicación específica para los cuales se ha diseñado la bomba.

1.3.1.1 Bombas de desplazamiento positivo o volumétrico:

En ellas que el principio de funcionamiento está basado en la hidrostática, de modo que el aumento de presión se realiza por el empuje de las paredes de las cámaras que varían su volumen. En este tipo de bombas, en cada ciclo el órgano propulsor genera de manera positiva un volumen dado o cilindrada, en caso de poder variar el volumen máximo de la cilindrada se habla de bombas de volumen variable. Si ese volumen no se puede variar, entonces se dice que la bomba es de volumen fijo. A su vez este tipo de bombas pueden subdividirse en:

1.3.1.2 Bombas de émbolo alternativo:

En ellas que existe uno o varios compartimentos fijos, pero de volumen variable, por la acción de un émbolo o de una membrana. En estas máquinas, el movimiento del fluido es discontinuo y los procesos de carga y descarga se realizan por válvulas que abren y cierran alternativamente. Su órgano fundamental es un émbolo o pistón que se desplaza

alternativamente dentro de un cilindro. Algunos ejemplos de este tipo de bombas son la bomba alternativa de pistón, la bomba rotativa de pistones o la bomba pistones de accionamiento axial. En las bombas de simple efecto una válvula se abre para que penetre el agua en la cavidad que va dejando el pistón en su ascenso y luego se cierra cuando el pistón desciende para que ésta no regrese, abriéndose otra válvula para que salga el líquido hacia el lugar deseado. En las bombas de doble efecto la disposición de las válvulas permite que se absorba y se impele líquido tanto en el movimiento de subida como en el de bajada del pistón. Las bombas más simples son muy utilizadas en viviendas que no cuentan con energía eléctrica, pero otros modelos más complejos de varios pistones alternativos sirven para diferentes usos técnicos.

1.3.1.3 Bombas volumétricas rotativas o roto-estáticas:

En éstas una masa fluida es confinada en uno o varios compartimentos que se desplazan desde la zona de entrada (de baja presión) hasta la zona de salida (de alta presión) de la máquina. Algunos ejemplos de este tipo de máquinas son la bomba de paletas, la bomba de lóbulos, la bomba de engranajes, la bomba de tornillo o la bomba peristáltica.

1.3.1.4 Bombas roto-dinámicas:

Su principio de funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre la máquina y el fluido, aplicando la hidrodinámica. En este tipo de bombas hay uno o varios rodetes con álabes que giran generando un campo de presiones en el fluido. En este tipo de máquinas el flujo del fluido es continuo. Poseen un eje rotor dotado de paletas permanentemente en contacto con el líquido. Al girar, las paletas golpean al líquido proporcionándole una presión haciéndolo salir de la bomba. Estas bombas están selladas, pues si penetra el aire no funcionan. Para ello la tubería debe disponer de una válvula de no retorno que hace que siempre permanezca agua dentro de la centrífuga y la tubería de extracción. Son las turbinas más comunes para uso doméstico, agrícola o industrial en lugares con energía eléctrica.

Estas turbo máquinas hidráulicas generadoras pueden subdividirse en:

Radiales o centrífugas:

Cuando el movimiento del fluido sigue una trayectoria perpendicular al eje del rodete impulsor, las bombas centrífugas, también denominadas rotativas, tienen un rotor de paletas giratorio sumergido en el líquido. El líquido entra en la bomba cerca del eje del rotor, y las paletas lo arrastran hacia sus extremos a alta presión. El rotor también proporciona al líquido una velocidad relativamente alta que puede transformarse en presión en una parte estacionaria de la bomba, conocida como difusor.

En bombas de alta presión pueden emplearse varios rotores en serie, y los difusores posteriores a cada rotor pueden contener aletas de guía para reducir poco a poco la velocidad del líquido. En las bombas de baja presión, el difusor suele ser un canal en espiral cuya superficie transversal aumenta de forma gradual para reducir la velocidad. El rotor debe ser cebado antes de empezar a funcionar, es decir, debe estar rodeado de líquido cuando se arranca la bomba. Esto puede lograrse colocando una válvula de retención en el conducto de succión, que mantiene el líquido en la bomba cuando el rotor no gira. Si esta válvula pierde, puede ser necesario cebar la bomba introduciendo líquido desde una fuente externa, como el depósito de salida.

Por lo general, las bombas centrífugas tienen una válvula en el conducto de salida para controlar el flujo y la presión. En el caso de flujos bajos y altas presiones, la acción del rotor es en gran medida radial. En flujos más elevados y presiones de salida menores, la dirección de flujo en el interior de la bomba es más paralela al eje del rotor (flujo axial). En ese caso, el rotor actúa como una hélice. La transición de un tipo de condiciones a otro es gradual, y cuando las condiciones son intermedias se habla de flujo mixto.

Axiales, cuando el fluido pasa por los canales de los álabes siguiendo una trayectoria contenida en un cilindro.

Diagonales o helicocentrífugas, cuando la trayectoria del fluido se realiza en otra dirección entre las anteriores, es decir, en un cono coaxial con el eje del rodete.

1.3.2 Según el tipo de accionamiento

Electrobombas. Genéricamente, son aquellas accionadas por un motor eléctrico, para distinguirlas de las motobombas, habitualmente accionadas por motores de explosión.

Bombas neumáticas. Son bombas de desplazamiento positivo en las que la energía de entrada es neumática, normalmente a partir de aire comprimido.

Bombas de accionamiento hidráulico. Como la bomba de ariete o la noria.

Bombas manuales. Un tipo de bomba manual es la bomba de balancín.

Bombas horizontales. La disposición del eje de giro horizontal presupone que la bomba y el motor se hallan a la misma altura. Éste tipo de bombas se utiliza para funcionamiento en seco, exterior al líquido bombeado que llega a la bomba por medio de una tubería de aspiración.

Bombas verticales sumergidas. El funcionamiento sumergido de las bombas centrífugas elimina el inconveniente del cebado, por lo que el impulsor se halla continuamente, aún parado, rodeado por el líquido a impulsar y, por lo tanto, la bomba está en disposición de funcionar en cualquier momento. El control de la unidad requiere únicamente la puesta en marcha del motor de accionamiento, sin necesidad de dispositivos adicionales de cebado previo. La aspiración, que es siempre por abajo, se hace a una cierta profundidad con respecto al nivel libre del líquido. Si esta profundidad es menor de lo debido, 2 ó 3 veces el diámetro del orificio de aspiración, se pueden crear en la superficie vórtices o remolinos por cuyo centro se introduce aire en la bomba, con la consiguiente pérdida de caudal y deficiente funcionamiento.

1.4 Aplicaciones

Debido a que las bombas se encargan de proporcionar energía y presión a un fluido, son necesarias en casi todos los campos, por no decir que en todos. Uno de sus primordiales, es el de bombear agua, debido a que este recurso es vital, tanto para el consumo por parte de los habitantes de un lugar como el riego de plantas y cultivos para la producción agrícola, a continuación se muestran diferentes aplicaciones que se les puede dar a las bombas dependiendo el campo de la ciencia o el tipo de industria, donde se requiera un sistema de bombeo.

Ingeniería aeronáutica: Es necesario un equipo de bombeo debido a que se requiere en los sistemas de mando, calefacción, de refrigeración, de lubricación, etc. tipos de bombas como de circulación de agua, de carga de amoniaco, alimentación de amoniaco caliente, de alimentación de agua, son usadas en las pruebas que se realizan para evitar accidentes que se puedan presentar en el avión a causa de la fatiga.

La industria química: El sistema de bombas que utiliza es más diverso debido a su continuo cambio en las sustancias y por lo tanto en las propiedades químicas que estos contienen, alterando su corrosividad, viscosidad, consistencia. en la mayoría de industrias químicas, las bombas centrífugas son las encargadas de bombear los líquidos altamente corrosivos.

Bombas de cristal: Son aquellas que manejan gran variedad de ácidos, debido a que el cristal cuenta con la propiedad de resistir este tipo de compuestos químicos con excepción del ácido fluorhídrico y el ácido fosfórico glacial.

Industria petrolera: El sistema de bombeo usado para una petrolera se compone de 8 grupos de bombas, se usan bombas de tipo reciprocante para las perforaciones, las cuales dan unas presiones altas por encima de los 200 Kg/cm^2, para la producción se usan 4 tipos de bombas debido a que se extrae el crudo usando un sistema de cilindro de succión, sistema hidráulico, sistema sumergible y sistema de elevación de gas. para el transporte es necesario tener diferentes bombas a causa de que las propiedades de los fluidos que se transportan son diferentes.

Bombas para acueductos: Se usan bombas multietapas de alta presión, los modelos de estas bombas verticales son muy prácticos ya que el espacio que ocupan es menor , debido a su sistema de succión de descarga en línea, estas bombas se usan para la circulación de los líquidos sin sólidos en suspensión, aumento de presión y suministro de agua, sistemas de riego, sistemas de lavado de autos, alimentación de calderas y retorno de condensado, circulación de agua caliente y fría , tratamiento de aguas , filtrado y osmosis inversa, industria minera y entre otros usos que se le puede dar son los sistemas de protección contra incendios.

Conclusiones: (bomba)

Dependiendo las propiedades con las que cuente el fluido que está siendo transportado, así mismo se debe elegir apropiadamente el tipo de bomba o turbina que debe usarse, dado que las propiedades del fluido rigen el comportamiento de este y se debe usar la máquina que cumpla los requerimientos solicitados.

Los diferentes usos y aplicaciones que se les puede dar a las máquinas hidráulicas es debido a su indispensable uso en los procesos tanto industriales como los del sector agropecuario, debido a esto, conocer y entender los distintos tipos de bombas y turbinas que existen ayudan a elegir la bomba adecuada para cada uno de los proyectos, siempre cumpliendo a cabalidad las necesidades que este tiene y optimizando el proceso.

Las bombas centrífugas son las que se utilizan con mayor frecuencia en la industria, debido a que este tipo de bomba le cede gran energía al fluido manteniendo una buena eficiencia en todo el proceso. Este tipo de bombas son muy comerciales en el sector dado que cuenta con una gran adaptabilidad a motores eléctricos de gran velocidad y a turbinas de vapor, el número mínimo de partes móviles que las componen, lo que hace que el desgaste sea menor, son de bajo costo y tamaño relativamente pequeño con relación al volumen que esta puede manejar.

Las bombas deben seleccionarse según el concepto del trabajo a realizar, con base a: presión máxima de trabajo; rendimiento de la bomba; precisión y seguridad de operación; fácil mantenimiento; máximo flujo; control requerido en la fase de arranque.