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SISTEMAS DE BOMBEO HIDRAÚLICO

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Manuel Escudero

on 29 March 2016

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Transcript of SISTEMAS DE BOMBEO HIDRAÚLICO

Bombas en Acuicultura
Tipos de bombas
Cebado de bombas y Golpe de Ariete
SISTEMAS DE BOMBEO HIDRAÚLICO
SISTEMAS DE BOMBEO HIDRAÚLICO
Tecnología en Acuicultura
Manuel Escudero H.
Ingeniero en Acuicultura

Una bomba es una máquina hidráulica generadora que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del fluido incompresible que mueve.

En general, 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.
Definición
: Convertidores de energía mecánica (procedente del motor que los arrastra) en energía hidráulica (fundamentalmente en forma de energía cinética y de presión).
La energía mecánica puede tener origen
eléctrico
diesel
gas
vapor
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.
Reservaremos el nombre de bomba hidráulica a la que eleva líquidos
. Cuando el fluido es un gas, se llama:
ventilador, cuando el incremento de presión es muy pequeño :
hasta 0,07 bar
soplante o blower :
entre 0,07 y 3 bar
compresor, cuando supera los:
3 bar.
La primera bomba conocida fue descrita por Arquímedes y se conoce como tornillo de Arquímedes, descrito por Arquímedes en el siglo III a.de C., aunque este sistema había sido utilizado anteriormente por Senaquerib, rey de Asiria en el siglo VII a.de C.
En el siglo XII, Al-Jazari describió e ilustró diferentes tipos de bombas, incluyendo bombas reversibles, bombas de doble acción, bombas de vacío, bombas de agua y bombas de desplazamiento positivo.
Siempre que tratemos temas como procesos que este involucrado la circulación de fluidos estamos, de alguna manera entrando en el tema de bombas.
 
El funcionamiento en si de la bomba será el de un convertidor de energía, o sea, transformara la energía mecánica en energía cinética, generando presión y velocidad en el fluido.
Existen muchos tipos de bombas para diferentes aplicaciones.
 
Los factores más importantes que permiten escoger un sistema de bombeo adecuado son: presión resultante, presión de proceso, velocidad de bombeo ( flujo ), tipo de sustancia a bombear (la eficiencia de cada bomba varía según el tipo de sustancia).
En acuicultura el abastecimiento por bombeo es empleado cuando la fuente de agua se encuentra a una cota por debajo del nivel de agua de los estanques. Ese sistema de abastecimiento es muy común cuando se utiliza agua de pozos, de ríos o de represas con nivel por debajo del nivel de agua en los estanques. La distribución de agua se realiza por tuberías presurizadas y por bomba hasta la entrada de los estanques.
También se puede utilizar como sistema mixto, en estos sistemas se combina el bombeo del agua de la fuente principal (ríos, represas, pozos, canales, etc., localizada a una cota por debajo de la cota de los estanques) para un reservorio o canal elevado con la cota por encima de la cota de agua en los estanques.

De ahí en adelante la distribución del agua para los estanques es hecha por gravedad, usando canales de distribución o tuberías. También son comunes los casos en que el abastecimiento es hecho por gravedad, si bien se cuenta con la opción de bombeo de agua a partir de otras fuentes durante los períodos de estiaje.
Las bombas de agua son concebidas y dimensionadas para condiciones específicas de uso. De esta forma la elección del equipo debe ser realizada por un profesional con experiencia, en base a las informaciones sobre el “layout” o “plano”, en el levantamiento planialtimétrico y las necesidades operacionales del proyecto.

Frecuentemente, se recurre a los fabricantes o revendedores de bombas, que también pueden auxiliar en la elección del modelo y tamaño más adecuado para cada situación.
CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS HIDRAÚLICAS
En principio existen dos grandes grupos de bombas:
TURBOMÁQUINAS (ROTODINÁMICAS):
Son aquellas en las que en el rotor de la bomba (parte móvil), transfiere momento cinético al fluido y luego, dentro del propio cuerpo de la bomba, en el difusor y el caracol, se transforma el exceso de energía cinética en energía de presión.
DE DESPLAZAMIENTO (RECIPROCANTES):
Son aquellas en las que se aplica una determinada fuerza (o par si son rotativas) a una serie de cámaras de trabajo que se van llenando y vaciando en forma periódica. En resumen utiliza la energía transmitida por un elemento móvil (pistón) dentro de un receptáculo cerrado (cilindro).
Tipos de bombas
Según el principio de funcionamiento
Bombas de desplazamiento positivo o volumétricas
: en las 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, por lo que también se denominan bombas volumétricas. 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:

Bombas de émbolo alternativo
Bombas volumétricas rotativas o rotoestáticas
Bombas rotodinámicas
: en las que el 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. Estas turbomáquinas hidráulicas generadoras pueden subdividirse en:

Radiales o centrífugas
Axiales
Diagonales o helicocentrífugas
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 que 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.
En función de la trayectoria que siga el fluido a lo largo del rodete
Centrífugas (Q 1/2 y H grandes)

Mixtas (helicocentrífugas)

Axiales (Q grandes a H moderadas)
Otras Clasificaciones
Según el número de rotores
Monocelulares
Multicelulares
Según la carcasa externa
Monobloc (pieza única)
Cámara partida (dos piezas)
Según orientación del eje
Horizontales
Verticales
Según la configuración del rotor abierto
(atendiendo a los discos que conforman los álabes)
(Faltan ambos discos)
semiabiertos (sólo un disco)
Cerrado (tiene 2 tapas (discos))
Según el difusor
CON (tiene difusor)
SIN (no tiene difusor – solo caracol)
Bombas de desplazamiento: tienen un contorno móvil de volumen variable, que obliga al fluido a avanzar a través de la máquina
Bombas de intercambio de cantidad de movimiento: Según la dirección del flujo a la salida del rodete, podemos hablar de:
bombas centrífugas (perpendicular al eje)
bombas hélice (flujo paralelo al eje)
bombas helicocentrífugas (flujo mixto)
Las bombas centrífugas son las más usadas en acuicultura, estando compuestas por un cuerpo metálico que alberga uno o más rotores dotados de paletas y acoplados a un eje accionado por un motor.

Entre las bombas más comunes de este grupo están las centrífugas de cuerpo en espiral y las bombas sumergidos usadas en los pozos.

El tipo de rotor, el ángulo de las paletas y la distancia entre el motor y el cuerpo de la bomba centrifuga tiene gran influencia en la aplicación y eficiencia de la bomba.

Los rotores son clasificados en tres tipos: abierto, semiabierto y cerrado.
Como las aguas utilizadas en acuicultura pueden contener, en algún momento, arcilla o arena en suspensión, es muy común utilizar bombas centrífugas de rotor semi-abierto.

Es importante resaltar que, cuando mayor la cantidad de partículas minerales en el agua (pedregullo, arena y arcilla), mayor será el desgaste del rotor de la bomba, la tubería, las válvulas y los registros.

Ese desgaste causa un aumento en la pérdida de carga y resulta en una pérdida de eficiencia en el bombeo.

Asimismo, es necesario inspeccionar periódicamente las bombas y los demás componentes del sistema, controlando también el caudal en la entrada del agua a los estanques.
Las bombas verticales son también muy usadas en acuicultura.

Son capaces de proveer grandes caudales de agua con gran eficiencia (hasta el 90%).

Estas bombas son recomendadas para pequeñas alturas de succión y de bombeo y con más frecuencia se usan para elevar el agua en los sistemas abastecidos por canales o pozos profundos.
Los principales factores que deben ser considerados en el momento de la selección de una bomba son:
a)las propiedades físico-químicas del agua (temperatura, acidez, salinidad, turbidez, cantidad de sólidos minerales, entre otros);

b) el caudal demandado por el proyecto;

c) la altura de succión de la bomba (distancia vertical entre la fuente de agua y la bomba); d) la pérdida de carga en la captación, que depende del tipo, diámetro y longitud del tubo, así como del número y el tipo de conexiones y válvulas;

e) la altura manométrica de bombeo (distancia vertical de la bomba hasta el sitio donde se desea el agua);

f) la pérdida de carga total en el sistema, resultado del tipo, diámetro y longitud de la tubería y la cantidad y los tipos de conexiones, válvulas y registros.
Con estas informaciones en mano, se puede proceder a la elección de las bombas más adecuadas, a través de consulta a las curvas de rendimiento abastecidas por sus fabricantes.

En estas curvas debe ser seleccionado el tipo de modelo de bomba que trabaje con la mayor eficiencia posible (generalmente de 60% a 85%) y necesite de un motor de menor potencia, para reducir el costo de bombeo.
Bombas Alternativas o Reciprocas
Las bombas alternativas o reciprocas son también unidades de desplazamiento positivo descargan una cantidad definida de liquido durante el movimiento del pistón o émbolo a través de la distancia de carrera.
En este tipo de bombas el fluido se desplaza mediante movimiento alternativo; al moverse en un sentido succiona y en el sentido inverso expulsa.
Bombas de Diafragma
La bomba combinada de diafragma puede ser comandada mecánica, hidráulica o neumáticamente.

En una bomba de diafragma existe un flexible que va sujeto a una cámara poco profunda, y este es accionado .
Un diafragma de material flexible no metálico puede soportar mejor la acción corrosiva o erosiva que las partes metálicas de algunas bombas alternativas.
Bomba de embolo o Pistones
El líquido es desplazado en forma axial dentro de un cilindro, por un embolo que por medio de válvulas permite succionar o expulsar el fluido. El movimiento rectilíneo del embolo es provocado por un sistema de cigüeñal.
BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO
Bombas Centrífugas
Las bombas centrífugas, también denominadas rotativas, tienen un motor de paletas giratorio sumergido en el liquido.

El liquido entra en la bomba cerca del eje del motor, y las paletas lo arrastran hacia sus extremos a alta presión.

El motor también proporciona al liquido una velocidad relativamente alta, que puede transformarse en presión en una parte estacionaria de la bomba, conocida como difusor; el difusor suele ser un canal en espiral cuya superficie transversal aumente de forma gradual para reducir la velocidad.

El motor debe ser cebado antes de empezar a funcionar, es decir, debe estar rodeado de liquido cuando se arranca la bomba.
La gran holgura ofrecida en este tipo de bombas al paso de los fluidos, hace que estas resulten adecuadas para la manipulación de fluidos que lleven en suspensión partículas sólidas, y además permiten el estrangulado o aun el cierre temporal de la válvula de la tubería de descarga (de impulsión).
Bombas Voluta
Aquí el impulsor descarga en una caja espiral que se expande progresivamente, proporcionada en tal forma que la velocidad del líquido se reduce en forma gradual.

Por este medio, parte de la energía de velocidad del liquido se convierte en presión estática.
Bombas Difusor
Las paletas direccionales estacionarios rodean el motor o impulsor en una bomba del tipo difusor.

Esos pasajes con expansión gradual cambian la dirección del flujo del liquido y convierten la energía de velocidad a columna de presión.
Bombas Turbina
También se conocen como bombas de vórtice, periféricas y regenerativas; en este tipo se producen remolinos en el liquido por medio de las paletas a velocidades muy altas dentro del canal anular en el que gira el impulsor.

El liquido va recibiendo impulsos de energía.

La bomba del tipo difusor de pozo profundo, se llaman frecuentemente bombas turbinas.
DATOS FUNDAMENTALES QUE CARACTERIZAN EL FUNCIONAMIENTO DE UNA BOMBA
(Q (m3/s),H (m),N (rpm))
Las curvas características de una bomba centrífuga son:

Altura en función del caudal H=H(Q)
Potencia en función del caudal P=P(Q)
Rendimiento en función del caudal n=n(Q)
Elementos de una bomba centrífuga
Los elementos constructivos que la conforman son:
Una tubería de aspiración

El impulsor o rodete, formado por una serie de álabes de diversas formas que giran dentro de una carcasa circular. El rodete va unido solidariamente al eje y es la parte móvil de la bomba.

Difusor, El difusor junto con el rodete, están encerrados en una cámara, llamada carcasa o cuerpo de bomba. El difusor está formado por unos álabes fijos divergentes, que al incrementarse la sección de la carcasa, la velocidad del agua irá disminuyendo lo que contribuye a transformar la energía cinética en energía de presión, mejorando el rendimiento de la bomba.
Eje, El eje de la bomba es una pieza en forma de barra de sección circular no uniforme que se fija rígidamente sobre el impulsor y le transmite la fuerza del elemento motor. Las bombas centrífugas para agua se clasifican atendiendo a la posición del eje en bombas de eje horizontal y bombas de eje vertical.
Curva Característica de una Bomba
La curva característica de una bomba describe la relación entre la altura manométrica (caída de presión) y el caudal, datos que permiten escoger la bomba más adecuada para cada instalación.

La altura manométrica de una bomba es una magnitud, expresable también como presión, que permite valorar la energía suministrada al fluido, es decir, se trata de la caída de presión que debe de vencer la bomba para que el fluido circule según condiciones de diseño.
Como puede observarse en la figura anterior, para cada velocidad de rotación n, hay una curva característica.

Nótese también que si la velocidad se reduce, también disminuye la altura manométrica máxima y el caudal máximo.
Selección de un Bomba
Para seleccionar una bomba debemos conocer los siguientes datos:

1. Caudal

2. Altura manométrica a vencer por la bomba o pérdida de presión del circuito

3. Valor de NPSH (Net Positive Suction Head required)
NPSH corresponde a la carga neta de aspiración positiva para que la bomba no sufra problemas de cavitación
Para el correcto funcionamiento de las bombas rotodinámicas se necesita que estén llenas de fluido incompresible, es decir, de líquido, pues en el caso estar llenas de fluido compresible (cualquier gas como el aire) no funcionarían correctamente.
El cebado de la bomba consiste en llenar de líquido la tubería de aspiración succión y la carcasa de la bomba, para facilitar la succión de líquido, evitando que queden bolsas de aire en el interior.

Al ser necesaria esta operación en las bombas rotodinámicas, se dice que no tienen capacidad autocebante.
Sin embargo, las bombas de desplazamiento positivo son autocebantes, es decir, aunque estén llenas de aire son capaces de llenar de fluido el circuito de aspiración.
Golpe de Ariete
El golpe de ariete se origina debido a que el agua es ligeramente elástica (aunque en diversas situaciones se puede considerar como un fluido no compresible).

En consecuencia, cuando se cierra bruscamente una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de agua que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. Esto origina una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad algo menor que la velocidad del sonido en el agua.

Esta sobrepresión tiene dos efectos:

1. comprime ligeramente el agua, reduciendo su volumen, y

2. dilata ligeramente la tubería.

Cuando toda el agua que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse.

Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal.

Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. El agua se desplaza en dirección contraria pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería.

Al reducirse la presión, el agua puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae.

Al alcanzar el otro extremo de la tubería, si la onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica, se reflejará siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresión del agua y a la dilatación de la tubería.
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