2.0 sistema de bombeo - parte b

MSc. Marco A. Murillo Gutarra

SISTEMA DE BOMBEO

Servicios Auxiliares en Mina

BOMBA HIDRÁULICA

• Una bomba hidráulica es una máquina generadora que transforma la energía con la que esaccionada, generalmente energía mecánica, en energía del fluido incompresible que mueve.El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como porejemplo el bombeo del relleno de mina antes de fraguar.

• Al incrementar la energía del fluido se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todasellas relacionadas según el Principio de Bernoulli.

• En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendoenergía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud aotra de mayor presión o altitud.

TIPOS DE BOMBAS HIDRÁULICAS

• Las bombas hidráulicas se clasifican principalmente en tres tipos:

− Bombas de Émbolo Alternativo.

− Bombas de Émbolo Rotativo.

− Bombas Rotodinámicas.

• Los dos primeros tipos de bomba operan sobre el principio de desplazamiento positivo; esdecir, que bombean una determinada cantidad de fluido, sin tener en cuenta las fugasindependientemente de la altura de bombeo.

• El tercer tipo de bomba debe su nombre a un elemento rotativo llamado rodete, quecomunica velocidad al líquido y genera presión. La carcasa exterior, el eje y el motorcompletan la unidad de bombeo.

También denominada bomba rotodinámica.

Es actualmente la máquina más utilizada parabombear líquidos en general. El fluido entrapor el centro del rodete, que dispone deunos álabes para conducir el fluido, y porefecto de la fuerza centrífuga es impulsadohacia el exterior, donde es recogido por lacarcasa o cuerpo de la bomba. Debido a lageometría del cuerpo, el fluido es conducidohacia las tuberías de salida o hacia el siguienterodete. Son máquinas basadas en la Ecuaciónde Euler. Las bombas centrífugas son siemprerotativas.

BOMBA CENTRÍFUGA

Su funcionamiento depende del llenado y vaciado sucesivo de receptáculos de volumen fijo,para lo cual cierta cantidad de agua es obligada a entrar al cuerpo de la bomba en donde quedaencerrada momentáneamente, para después ser forzada a salir por la tubería de descarga. Delo anterior se deduce, en términos generales, que el gasto de una Bomba Reciprocante esdirectamente proporcional a su velocidad de rotación y casi independiente de la presión debombeo.

Como el proceso de llenado y vaciado sucesivo de receptáculos de volumen fijo requierefricción por resbalamiento entre las paredes estacionarias del receptáculo y las partes móviles.

BOMBA RECIPROCANTE – FUNCIONAMIENTO

DISEÑO DE BOMBAS

1. Alturas de Carga Estática:

• Carga Estática Total (Presión Estática): Está dada por la diferencia de elevación entre elespejo de agua y la descarga.

• Carga Estática de Succión (Carga Estática de Aspiración): Es la diferencia de nivel entre eleje de la bomba y el espejo de agua. Esta carga a su vez puede ser:

― Positiva: Cuando el espejo de agua se encuentra sobre la bomba.

― Negativa: Cuando el espejo de agua se encuentra por debajo de la bomba.

• Carga Estática de Descarga (Carga Estática de Impulsión): Está dada por la diferencia deelevación entre el eje de la bomba y el punto de descarga.

ALTURAS DE CARGA ESTÁTICA

Altura de CargaEstática deImpulsión

Altura de Carga Estática Total

Eje Central de la Bomba

Bomba

Altura de CargaEstática de Aspiración



Altura de CargaEstática deAspiración


Bomba

Bomba


Altura de CargaEstática de Aspiración



SUCCIÓN POSITIVA Y NEGATIVA

Positiva: Cuando el espejo de agua se encuentra sobrela bomba.

Negativa: Cuando el espejo de agua se encuentra pordebajo de la bomba.

PÉRDIDAS DE CARGA DE VELOCIDAD

2. Pérdida de Velocidad: (Pv)

También llamada Presión de Velocidad o Pérdida de Altura por Velocidad. Es el equivalentede presión requerida para acelerar el flujo de agua y está dada por la fórmula siguiente:

Pv = (ϒ x V ) / 2g

Donde:

ϒ : peso específico del líquido (8.33 lb/gln)

V : velocidad del flujo

g : aceleración de la gravedad (32.2 pie /s)

2

2

PÉRDIDAS DE CARGA POR FRICCIÓN

3. Pérdida por Fricción: (Pf)

Es la presión necesaria para vencer la resistencia de fricción producida entre el líquido y elconducto de transporte que está compuesta por tuberías, acoples, etc.

Para calcular las pérdidas por fricción en tuberías, existen diversas ecuaciones tales como:

• Darcy–Weisback

• Blasius

• Prandtl y Von–Karman

• Nikuradse

• Colebrook–White

• Moody

• Hazen–Williams

DARCY–WEISBACK (1875)

OTRAS ECUACIONES

ECUACIONES DE MANNING

HAZEN–WILLIAMS (1905)

h = 10,674 x [Q1,852/(C1,852 x D4,871)] x L

PÉRDIDA DE CARGA POR ACCESORIOS

PÉRDIDA EN TABLAS (TUBERÍAS Y ACCESORIOS)

PÉRDIDA TOTAL Y POTENCIA DEL MOTOR

4. Pérdida Total: (PT)

También llamada Carga Dinámica. Es la sumatoria de todas las altura y pérdidas.

5. Potencia del Motor: (HP)

Es la potencia requerida para bombear determinado caudal de fluido.

HP = (PT x Q x ϒ) / (33,000 x e)

Donde:

PT : pérdida total (pies)Q : caudal (GPM)ϒ : peso específico del fluido (8.33 lb/gln)e : eficiencia del motor (%)

CURVA CARACTERÍSTICA DE UNA BOMBA

La figura muestra los dispositivos de medición instalados para una prueba de bombeo, con elque se puede determinar la curva característica de una bomba: Venturímetro, Bourdon, Watt-metro, etc.

La figura muestra la curva característica de una bomba centrífuga. La presión se mide paravarios pies de columna vertical de agua (cabeza); así, si el caudal se expresa en galones/min, lacabeza en pies, la potencia en Bhp, entonces la eficiencia de la bomba puede ser graficadasegún la siguiente relación:

CURVA CARACTERÍSTICA DE UNA BOMBA

e = Q x H x (8.33 lb agua/gal) (33,000 pies-lb/min) (Pot. al freno)

INCREMENTO DE LA VELOCIDAD DE LA BOMBA

• Cuando la velocidad de una bombacentrífuga es modificada, la operaciónde la bomba cambia de acuerdo a lassiguientes tres leyes fundamentales:

1. El caudal varía directamente con lavelocidad.

2. La carga (altura) varía con elcuadrado de la velocidad.

3. La potencia varía con el cubo de lavelocidad.

• Hay límites para la cantidad de velocidad que puede incrementarse en una bomba, paraevitar daños, el límite recomendado por el fabricante debe ser siempre considerado.

EJEMPLO DE PUNTO DE OPERACIÓN DE UNA BOMBA

• La bomba centrífuga cuyacurva característica semuestra en la figura siguiente,opera para una cabezaestática de 80 pies y enconexión con una línea dedescarga de 1,000 pies y 5” dediámetro. Obviando laspérdidas por accesorios,velocidad y pérdidas porfricción en la línea de succión;determinar el punto deoperación de la bomba.


Primero, determinamos la cabeza total del sistema. La tabla siguiente muestra valores de lapérdida por fricción cada 50 gpm y 5” de diámetro. Seleccionando valores para diferentescaudales y multiplicando estos por 10 (1,000 pies/100 pies) y adicionando 80 pies de cabezaestática, hallamos la pérdida total del sistema.

Q hf x (1,000/100) = hf + hs = H

100 0.41 10 4.1 80 84.1

150 0.88 10 8.8 80 88.8

200 1.50 10 15.0 80 95.0

250 2.27 10 22.7 80 102.7

300 3.17 10 31.7 80 111.7

350 4.22 10 42.2 80 122.2

400 5.40 10 54.0 80 134.0


Dibujando la curva característicaH–Q de la tubería.

El punto de operación ocurre enla intersección de esta curva conla curva característica de labomba; aproximadamente 250gpm y 103 pies.

INSTALACIÓN DE BOMBAS EN SERIE

• No toda bomba es apropiada para diferentescondiciones (por ejemplo, cuando la curva nointercepta la curva de la tubería, cuando el puntode operación de la bomba está por debajo del flujorequerido, etc.) en tales casos, se puede alterar elestado de la bomba o cambiar la velocidad de lamisma.

• Dos o más bombas pueden ser ubicadas en serie ouna sola bomba puede contar con más de unimpulsor sobre el mismo eje (operación en múltipleetapa) con el fin de operar cabezas más altas, entales casos, las cabezas y potencias son sumadas alas cantidades equivalentes como muestra la figura.

INSTALACIÓN DE BOMBAS EN SERIE

CAVITACIÓN

• Es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido pasa agran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido.

• El fluido alcanza la presión de vapor y las moléculas que lo componen cambian a estado devapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades.

• Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implosionan (el vapor regresa alestado líquido de manera súbita, aplastándose las burbujas bruscamente) produciendo unaestela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno.

• Es un proceso físico que es muy parecido al de la ebullición, la diferencia es que la cavitaciónes causada por una caída de la presión local por debajo de la presión de vapor mientras quela ebullición lo hace por encima de la presión ambiente local.

CAVITACIÓN

Efecto de la cavitación en las paredes delos accesorios (tuberías, codos, acoples,etc.) y en las partes internas de la bomba.

CAVITACIÓN EN EL OJO DEL RODETE O DE ASPIRACIÓN

• Se produce cuando existe demasiado vacío queexcede la presión del vapor del líquido bombeado. Ellíquido hierve y se separa del resto.

• Las bolsas de vacío aparecen en el centro delimpulsor, que es la zona de más baja presión y sedesplazan hasta su implosión o colapso.

• Este tipo de cavitación la causa una altura deaspiración excesiva o bien que el NPSH disponible dela instalación se vuelva insuficiente por aumento dela pérdida de carga en la succión de la bomba(obstrucciones parciales).

• La bomba no provoca ambas situaciones sino suentorno (instalación/aplicación).

• Esta situación se da cuando la altura de descarga esdemasiado alta, desplazando el punto de trabajohacia la izquierda y fuera de la cuerva defuncionamiento. La cavitación se localiza entre elextremo del álabe del rodete y donde acaba laenvolvente del cuerpo o tajamar.

• Debe tenerse en cuenta que válvulas y otrosaccesorios pueden cavitar sufriendo los mismosefectos perjudiciales que una bomba. Si una válvulatiene su admisión parcialmente cerrada,probablemente cavitará y se deteriorará de la mismaforma que lo haría un impulsor y la placa dedesgaste de una bomba cuya aspiración estuvieraobstruida.

CAVITACIÓN EN LA TAJAMAR DE LA VOLUTA O DE IMPULSIÓN

EL VALOR NPSH (NET POSITIVE SUCTION HEAD)

• El valor NPSH (en ingles, Net Positive SuctionHead) es la “Altura de Succión Neta Positiva” yrepresenta una medida para la presión deentrada requerida = nivel de agua mínimo porencima de la entrada de la bomba.

• En general, el valor NPSH aumentará a medidaque lo haga el caudal y, si no se alcanza lapresión de entrada requerida se producirá laevaporación del agua y se aumentará el riesgode sufrir daños por cavitación en la bomba.

NPSH DISPONIBLE Y NPSH REQUERIDA

• NPSH disponible depende directamente de lainstalación de la bomba, mientras que el NPSHrequerido será dado por el fabricante de la bomba,debiendo entonces el responsable de la instalación,seleccionar una altura de aspiración y unas pérdidasde carga en la línea de aspiración que verifiquen queNPSH disponible debe ser mayor o igual al NPSHrequerido. Además, existe una relación que aseguraque una bomba funcione correctamente sin quesurjan problemas de cavitación, para ello, lorecomendable incluir un factor de seguridad de0.5m al NPSH requerido, así:

NPSH disponible ≥ NPSH requerido + 0.5 mNPSHd: NPSH disponibleNPSHr: NPSH requerido

Para aumentar el NPSH disponible se puede seguirlas siguientes sugerencias:

• Elevar el nivel del líquido.

• Bajar la bomba.

• Reducir los accesorios y la longitud de la tuberíase succión.

• Aumentar el diámetro en la succión.

• Si el líquido está caliente, se puede enfriarintercalando un intercambiador de calor, con loque la presión de vapor del líquido disminuye.

NPSH DISPONIBLE Y LA CAVITACIÓN

Para disminuir el NPSH requerido se recomienda:

• Velocidades de rotación de la bomba más baja.

• Impulsor de doble succión.

• Ojo del impulsor más grande.

• Varias bombas pequeñas en paralelo.

NPSH REQUERIDO Y LA CAVITACIÓN

TENSIÓN DE VAPOR Y PESO ESPECÍFICO DEL AGUA

PRESIÓN ATMOSFÉRICA EN FUNCIÓN DE LA ALTURA

CEBADO DE UNA BOMBA

• Para el correcto funcionamiento de las bombas rotodinámicas, se necesita que estén llenasde fluido incompresible; es decir, de líquido, pues en el caso estar llenas de fluidocompresible (cualquier gas o aire) no funcionarían correctamente.

• El cebado de la bomba rotodinámica consiste en llenar de líquido la tubería de aspiraciónsucción y la carcasa de la bomba, para facilitar la succión de líquido, evitando que quedenbolsas de aire en el interior. Al ser necesaria esta operación en las bombas, se dice que notienen capacidad autocebante. Sin embargo, las bombas de desplazamiento positivo sonautocebantes, es decir, aunque estén llenas de aire son capaces de llenar de fluido elcircuito de aspiración.

• Una bomba de drenaje es el tipo de bomba que másfrecuentemente se usa en las obras. Se utiliza para bombearagua con menos sólidos abrasivos, como la arcilla. Tambiénpuede bombearse arena y sólidos en suspensión hasta eltamaño de los agujeros del colador (normalmente 7 – 12mm). La arena no debe estar demasiada concentrada ya quees bastante abrasiva para la bomba.

• Las bombas de lodo son adecuadas para bombear agua consólidos, además de bombear lodo. Los sólidos pueden ser dehasta el tamaño del diámetro de la entrada de la bomba(normalmente 32 – 80 mm).

BOMBAS SUMERGIBLES

BOMBAS SUMERGIBLES

• Las bombas de acero inoxidable se utilizan a menudo en lasminas de cobre, minas de oro y en otras aplicaciones conlíquidos corrosivos. Una bomba de aluminio puede trataragua con valores de pH de 5 a 8, mientras que una bomba deacero inoxidable puede tratar valores pH entre 2 y 10.

• Las bombas de lodo están diseñadas para tratar sólidosabrasivos en suspensión, como la arena, la grava y elconcreto, en alta concentración. Además, con frecuencia seutilizan para mover arena en suspensión; es decir, en unaoperación de dragado. Para hacer frente a los abrasivos, laparte hidráulica de una bomba de lodo es a menudo de unaaleación de metal muy dura. Para mejorar el rendimiento, lasbombas de lodo se pueden equipar con un agitador.

BOMBAS SUMERGIBLES – CUIDADOS

A pesar de la sencillez, hay algunos detalles a considerar para la optimización del bombeo:

Cuide que la bomba no se entierre en la arena o en el barro. Este es un problema común en lasconstrucciones. Esto se puede evitar fácilmente por medio de colocar la bomba sobre un lechode grava gruesa o una plancha. La bomba también se puede colgar libremente de una cuerda ocadena, o colocar en un tambor perforado.

BOMBAS DE DRENAJE

Están diseñadas para:

• Bombear agua que pueda contener sólidos,hasta el tamaño de los agujeros del colador.

• Bombear agua con sólidos abrasivos.

• Bombear agua subterránea.

• Bombear agua cruda.

• Bombear agua residuales.

BOMBAS DE DRENAJE

BOMBAS PARA LODOS

AJUSTES DE CÁLCULO PARA BOMBAS DE LODOS

FALLA EN LAS BOMBAS HIDRÁULICAS

• Desgaste abrasivo: se refiere al corte del metal por partículas duras o una superficie áspera.Este tipo de desgaste puede disminuirse removiendo los restos de manufactura antes deiniciar el trabajo.

• Lubricación: Una fuente de fallas en las bombas hidráulicas es la mala lubricación. Muchoscomponentes en el pistón están en contacto deslizante. Este desgaste por deslizamientoafecta el rendimiento del plato y del eje del pistón. Desgaste en esta superficie puedefacilitar las fugas, que aumentarán con fluidos menos viscosos. Este desgaste tambiénimpacta en gran medida el rendimiento de la bomba en general.

• Oxidación: Los fluidos forman ácidos debido a la oxidación. Esto es acelerado por laoperación extendida a altas temperaturas.


• Sobre presurización: Una bomba hidráulica no debe ser sometida a presiones de operaciónmás altas que esas para las que ha sido diseñada. La sobre-presurización también se puedecausar por fallas de componentes.

• Desgaste adhesivo: Ocurre cuando las asperezas de la superficie se someten a contactodeslizante bajo una carga. Si suficiente calor es generado, se darán micro soldaduras en lasuperficie.

• Desgaste por erosión: Partículas de líquido o impregnación de gotas de líquido en lasuperficie causan el desgaste por erosión.

• Desgaste por cavitación: La cavitación se da cuando hay un número excesivo de burbujas degas. Luego de repetidas implosiones, el material se daña por fatiga, resultando en daños enforma de agujeros.

• Desgaste corrosivo: Este tipo de daño se relaciona con ataques electroquímicos al metal.Algunas causas comunes de corrosión son la condensación del agua en la humedad delambiente, vapores corrosivos en la atmósfera, procesamiento de químicos corrosivos comolo son los refrigerantes y limpiadores, presencia de ácidos de descomposición o exposición ametales activos, etc.

• Desgaste por fatiga: La fatiga es favorecida por áreas de contacto pequeñas, cargas altas yflexión repetida bajo ciclos o deslizamientos recíprocos. Si el esfuerzo aplicado es mayor alesfuerzo de fluencia del material, el proceso es acompañado de calor por fricción y flujoplástico del material. Cambios estructurales también se observan en el material.


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