bombas diseño selección y uso

Bombas: Diseño, Selección y uso Departamento de Ingeniería MecánicaInstituto Superior Minero Metalúrgico.

Inicio

Objetivos

Aplicar los principios de la mecánica de fluidos en el planteamiento y resolución de problemas prácticos, relacionados con el transporte de fluidos.

Desarrollar la capacidad basado en conocimientos teórico-prácticos para seleccionar, diseñar y evaluar equipos de impulsión de fluidos.

Regresar

Temario Generalidades Transporte de fluidos en canales Transporte de fluidos en tuberías Sistema de bombeo Sistemas de disipación de energía Consideraciones generales de diseño Tecnología aplicada Problemas operacionales de movimiento de fluidos en larga

distancia Sistemas de medición y control de fluidos de larga

distancia.

Regresar

Teoría de las bombas centrífugas

CUCH UUt g 1122U1

WUC

60n

DU

Ecuación de Euler

U – Velocidad Lineal

W – Velocidad relativa

CU – Componente de C

Ht– Altura teórica

C– Velocidad resultante

Regresar

Generalidades

Consideraciones para el diseño

para el transporte de minerales a molienda o relaves a los tranque de depósito, son preferibles los canales abiertos a las tuberías

para los concentrados, las líneas gravitacionales presurizadas son la mejor solución (tuberías)

el consumo de agua debe ser lo más bajo posible

Regresar

El Sistema de Bombeo

a

b c

d

Características Hidráulicas para Definir un Sistema de Transporte de FLUIDOS:

Carga estática de succión : distancia vertical entre a y b. Pérdida de entrada : 0,5 veces altura de velocidad de succión Pérdida de carga en la succión : pérdida entre a y b Altura estática de descarga : distancia vertical entre c y d Pérdida de carga en la descarga : pérdida de descarga entre c y d Pérdida de salida : altura de velocidad de descarga Presión requerida en punto de descarga: depende del tipo de descarga

Regresar

Generalidades

Componentes principales del sistema

estación de bombeo estación de disipación estación de válvulas estanques de almacenamiento estación terminal tubería

Regresar

NIVEL DEL PISO

CIRCUITO DE CONTROL

os

os

os

os

PIZARRA DE CONVERTIDORES Y REGULADORES

PIZARRA DE CONVERTIDORES Y REGULADORES

os

os

os

INSTALACIÓN SEMI - INDUSTRIAL

Regresar

Regresar

Criterios para la Selección

Volumen de líquido a transportar: Ecuación de gasto: Gasto volumétrico, Gasto en masa, en Peso Propiedades del líquido a transportar

Condiciones en la succión y en la descarga

2211V Q AVA

donde: Q : Gasto Volumétrico A : área de la Sección transversal V : Velocidad del flujo

Regresar

Criterios para la Selección

Características de la red: Carga estática (por diferencia de nivel, presión final) Perdidas Hidráulicas( resistencias locales y por rozamiento)

Otros criterios( rango de velocidades, temperatura del medio, altura sobre el nivel del mar, características del accionamiento etc.)

donde: : Altura de posición : Altura piezométrica : Altura cinética

31

m2

33

3321

m2

22

22

m2

11

11 h

g2

VPZh

g2

VPZ

g2

VPZ

P

g

V

2

2

: Sumatoria de perdidas hidraulicas h

Z

Regresar

Generalidades

Transporte hidráulico

permite transportar grandes cantidades de sólido a gran distancia y en forma continua

el fluido transportante normalmente es agua la planta de molienda debe estar cerca del yacimiento en algunos casos, también el concentrador el sistema más utilizado es transporte hidráulico en presión

Regresar

Generalidades

Ventajas del transporte hidráulico de sólidos

posibilita desarrollar trazados sinuosos se comporta bien en grandes desniveles adaptable a cualquier topografía mínimo efecto en condiciones climáticas adversas para gran variedad de productos de la industria minera en algunos casos permite alejar la planta del yacimiento

Regresar

Generalidades

Ventajas del transporte hidráulico de sólidos

permite operación continua y comando remoto menores costos de operación costos de inversión competitivos requiere mínima mano de obra, alta productividad mínimo impacto ambiental

Regresar

Generalidades

Comparación de costos de transporte de sólidos

Transporte mediante andarivel 0,30 - 0,40 US$/Ton x KmTransporte mediante camiones 0,10 - 0,15 US$/Ton x KmCinta transportadora 0,01 - 0,04 US$/Ton x KmTubería 0,001 - 0,01 US$/Ton x Km

Regresar

Generalidades

Aplicaciones de los sistemas de transporte de pulpa en minería:

Transporte de concentrado desde mina hacia puerto o estaciones ferroviarias (Escondida, Collahuasi, Pelambre, Alumbrera, Andina)

Transporte desde la mina al concentrador (Los Bronces/Las Tórtolas, Sewel/Colón, Pelambres/Chacay)

Transporte de relaves (Teniente, Andina, La Granja)

Regresar

Generalidades

Proyectos mineros de transporte de pulpa

Compañía Producto Tipo conducción Dimensiones Largo (kms) Producción (KTD) InicioTeniente Relaves Canal de concreto ancho : 1,4 m 80 110 1983Disputada Mineral Tubería de acero diámetro : 20" 56 37 1992Escondida Concentrado Tubería de acero diámetro : 6" y 9" 185 4 - 5 1992 - 1995Iscaycruz (Perú) Concentrado Tubería de acero diámetro : 3,5" 25 1 1996Alumbrera (Argentina) Concentrado Tubería de acero diámetro : 7" 240 - 300 3 - 3 1997Collahuasi Concentrado Tubería de acero diámetro : 7" 195 3 1998Andina Relaves Canal de concreto ancho : 1,2 m 87 65 1998

Regresar

Generalidades

Consideraciones para el transporte de pulpa

el sistema debe ser capaz de conducir la máxima producción de la faena minera

debe ser flexible para operar en un rango amplio de producción

debe tenerse en cuenta en su diseño problemas como: corte de suministro de energía eléctrica falta de agua fallas operacionales temblores

contar con un sistema de detección de bloqueo y fugas y piscinas de emergenciaRegresar

Generalidades

Consideraciones para el transporte de pulpa (cont...)

los accesorios deben tener sistemas stand-by que permitan la manutención y prever problemas de erosión y corrosión.

los operadores deben tener una clara concepción de los problemas que podrían tener en el sistema.

sistema de comunicación confiable y con respaldo

para el diseño, deben realizarse pruebas de laboratorio

el diseño, construcción y operación deben estar completamente de acuerdo a la legislación vigente

Regresar

Generalidades

Conceptos hidráulicos

tamaño de las partículas sólidas concentración de pulpa viscosidad velocidad límite tasa de erosión tasa de corrosión pérdida de carga selección de la tubería bombas, válvulas y selección de disipadores de energía

Regresar

Generalidades

Criterios principales de elección de rutas

análisis comparativo de varias rutas

utilizar la máxima pendiente posible, hasta un 15%

análisis simultáneo de permisos y propiedades de terrenos

plataforma de un mínimo de 10 a 12 metros para instalar la tubería

en los cruces de ríos, la tubería debe estar enterrada bajo la profundidad máxima de erosión

Regresar

Transporte de fluidos en canales

Para el diseño de canales se consideran dos aspectos principales:

fórmula de Manning concepto de velocidad límite

Para flujo uniforme, la fórmula de Manning es:

32

21 HRS

i

nQ

donde: RH : Radio hidráulico S : área de escurrimiento n : coeficiente de rugosidad de Manning i : pendiente del canal

Regresar


Coeficientes de Manning de los materiales más usuales utilizados en canaletas de pulpa:

Material nHDP 0.011Hormigón 0.013Acero 0.012Madera pulida 0.014Goma 0.012

Regresar


La velocidad de escurrimiento debe ser mayor que la velocidad límite de depósito, vL.

La velocidad límite se puede calcular como:

25,0LL 1)-(Shg2F1,25 v

donde: FL : parámetro de McElvain y Cave (depende del tamaño y

concentración de sólidos h : altura s : gravedad específica de los sólidos

ecuación conocida como de Durand modificada

Regresar


Otra forma de calcular la vL es mediante la ecuación de Domínguez:

158,0

H

85

5,0

m

msHL R

d

ρ

)ρ(ρRg81,83 v

donde: s : densidad del sólido

m : densidad específica de la mezcla

RH : radio hidráulico

Regresar


Normas para el dimensionamiento de canales:

alturas de escurrimiento distintas de las altura crítica para evitar resaltos (turbulencia, aireación y salpicaduras)

número de Froude mayor que 1,1 o menor que 0,9 de manera que el flujo sea abiertamente río o torrente

número de Froude menor que 3,0 porque si la pendiente es muy alta se generan flujos supercríticos con ondas (olas) altas

en minería se utilizan ductos circulares, canales rectangulares y eventualmente trapeciales.

Regresar

Transporte de fluidos en tuberías

Los factores más importantes para el transporte de pulpa en tuberías son:

velocidad límite de depósito pérdida de carga o resistencia al flujo

La velocidad límite determina la mínima velocidad de flujo de manera que no exista riesgo de depositación y obstrucción de la tubería.

Regresar


Los parámetros que influyen en la velocidad límite son:

granulometría de las partículas sólidas densidad relativa de las partículas sólidas diámetro de la tubería concentración de sólidos de la mezcla inclinación de la tubería pH de la pulpa

Regresar


Los modelos tradicionales para predecir la velocidad límite son:

Fórmula de Voccadlo y Sagoo

donde, W : velocidad de sedimentación de las partículas

Fórmula de McElvain y Cave

en que:

31

WDg1)-(SC8,4 v VL

21

1)-(SDg2F v VL

)C,(d F V50L fRegresar

Gráfico de Mac-Elvain y Cave

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

0,01 0,10 1,00

D50 [mm]

FL

Cv = 30%Cv = 20%

Cv = 10%Cv = 5%

Regresar


Adicionalmente, desde el punto de vista empírico, se ha encontrado que:

vL [m/s] Granulometría

1.5 5% + 65#2.1 15% + 65#2.4 20% + 65#2.7 25% + 65#

Regresar


La relación entre la resistencia de una pulpa y el agua varía de acuerdo al % de sólidos de la pulpa del modo siguiente:

log J

log V

CV1

CV3CV2

VL

aguaCV1 < CV2 < CV3

Regresar


Se define la diferencia unitaria de pérdida de carga, , como:

donde: Jm : pérdida de carga de la pulpa

J0 : pérdida de carga del agua

Cv : concentración de sólidos en volumen

y es función de las siguientes variables: granulometría de la partículas densidad relativa de la partículas diámetro de la tubería velocidad de flujo

0

0m

JCvJ - J

Φ

Regresar


Para flujo en tuberías, se emplea la expresión de Darcy:

donde es el coeficiente de fricción y depende del número de Reynolds y de la rugosidad de la tubería

2gDV - λ

J2

Dε

Re,λ λ

Regresar

Regresar


Existen varios modelos para predecir la pérdida de carga, todos basados en el parámetro adimensional ,

Método de Durand

Método de Newitt

Método de McElvain y Cave

5,1

d2

Dg

Cv176 Φ

3v

1)(SWDg1.100 Φ

0mL J1,1 J V1,3 V si Regresar

Sistemas de bombeo

Los tipos de bomba más usuales son:

bombas centrífugas bombas de desplazamiento positivo bombas especiales

Regresar

Bombas centrífugas

Corresponden a una adaptación de la bomba de agua corriente, con modificaciones para resistir

la presión la carga extra por el peso de la pulpa los problemas mecánicos de los sellos

son las más utilizadas en plantas de beneficio

la altura de impulsión máxima no más allá de 60 m.

para bombas en serie, la presión final no debe ser superior a 700 psi

Regresar

Bombas centrífugas

la velocidad periférica del rodete impulsor está limitada a 25 m/s (600 a 1800 RPM), para minimizar el desgaste

Los impulsores y carcazas deben estar revestidos interiormente por:

fundas de goma sintética, poliuretano o aleaciones niqueladas o acero al manganeso

debe considerarse la pérdida de eficiencia debido a los sólidos

Regresar

Bombas centrífugas

Corrección de las curvas características

las curvas entregadas por el fabricante corresponden al funcionamiento de las bombas con agua pura.

el factor de corrección es el siguiente:

donde: H : altura de impulsión de la bomba Hw : altura de impulsión de agua pura HR : factor de corrección

HRH

H w

Regresar

Bombas centrífugas

Modelo de McElvain y Cave para determinación de HR

el modelo propone la siguiente ecuación:

donde:

20C K

- 1 HR v

50dS,K K

Regresar

Bombas centrífugas

Determinación de K para McElvain y Cave

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.01 0.1 1.0 10.0

8.00

5.004.00

3.002.55

2.00

1.80

1.25

1.10

SK

D50 [mm]

Regresar

Bombas centrífugas

Modelo de Sillgren para determinación de HR

el modelo propone la siguiente ecuación:

donde: Cp : concentración de la pulpa en peso

Cd : coeficiente de arrastre

este modelo permite trabajar con pulpas de hasta 20% en volumen

0,25d

0,70,7p

C

1)(SC0,32 - 1 HR

Regresar

Bombas centrífugas

Otros aspectos importantes de considerar en el diseño de un sistema de bombeo son:

el punto de funcionamiento de la bomba debe ser estable el estanque debe tener un tiempo de residencia superior a un

minuto para pulpas sin espuma de dos a tres minutos para pulpas con fuerte espumación la forma del estanque debe evitar embanques, formación de

torbellinos o succión de espuma el montaje de la bomba no debe tener bolsas de aire en su

interior deben considerarse las normas de mantención dadas por el

fabricante

Regresar

Regresar

Bombas de desplazamiento positivo (pistón)

Se utilizan para impulsión de pulpas a grandes distancias o con fuertes diferencias de nivel

se logran presiones de hasta 3.000 psi

tienen alta eficiencia de bombeo (90%)

pueden tomar carga por encima de las condiciones de trabajo (partida rápida)

la velocidad de flujo se limita a 4 m/s

tienen alto costo de instalación y mantenciónRegresar

Regresar

Clasificación

Clasificación de las bombas según el tamaño de partícula:

Tamaño de partícula Tipo de Bomba MaterialMalla 3/8" (10 mm) Bomba dragadora Acero, Mn, otras aleaciones

Bomba arena y grava Fe duro revestido de gomaimpeler cerradopartículas redondeadas

Malla 8 (2,5 mm) Bombas de arena Revestida en goma o poliuretanoImpeler cerrado

Malla 16 (1 mm) Bomba de pulpa Revestida en goma o poliuretanoImpeler abierto Aceros especialesBomba de desplazamiento positivo

Regresar

Control de velocidad

El control de velocidad es importante debido a las variaciones que se producen en la fase pulpa

Los métodos más utilizados son: poleas en V acoplamientos hidráulicos acoplamientos magnéticos motores de velocidad variable (los más utilizados) motores embobinado accionamiento de embrague

Regresar

Sistemas de disipación de energía

Cuando se dispone de energía exceso para el transporte (sobra altura de carga), se debe liberar el flujo excedente.

El sistema más utilizado es el de anillos de disipación de energía

Estos anillos se introducen en el interior de la tubería provocando estrechamientos y ensanches bruscos.

Se fabrican de un injerto de material cerámico fundido sobre una matriz metálica

Regresar


Anillo de disipación de energía

Regresar


Anillo de disipación de energía

se pueden disipar hasta 50 - 60 m de pulpa

velocidades al interior del anillo de 32 - 35 m/s

la pérdida de presión en el orificio, es:

en que: H = pérdida de presión (m) Q = flujo volumétrico de pulpa (m3/s) d1 = diámetro interior del orificio (m) K = constante (0,075 - 0,80)

41

2

dQK

H

Regresar


Disposición de los anillos

Anillos fijos son permanentes en la línea con pérdida de carga constante

Anillos variables la pérdida de carga se regula mediante una válvula de control

Regresar


Anillo variable

Válvula de control

Anillo disipador

Regresar


Cavitación en anillos disipadores

debido a que la presión en los anillos disminuye fuertemente, aumenta el peligro de cavitación

para evitar esto, en las estaciones disipadoras, el sistema se recubre con goma o poliuretano

los anillos con mayor peligro de cavitación se ubican al final de la estación (a veces se diseñan con diámetros mayores)

Regresar

Consideraciones generales de diseño

Caracterización del sólido a transportar

Variables: Densidad del sólido Granulometría del sólido Forma de las partículas Velocidad de sedimentación Concentración de sólidos Densidad relativa de la pulpa Temperatura de la pulpa Viscosidad de la pulpa pH

Regresar


Rangos de flujo

El caudal requerido para un flujo dado es:

donde TMSPH : toneladas métricas de sólido transportadas por hora Cp : concentración de sólidos en peso S : densidad relativa del sólido

sm3

S1

- 1 - C1

3.600TMSPH

Qp

Regresar


Para el caso de sistemas restringidos, se debe manipular el % de sólidos de manera de mantener constante el caudal

el caudal mínimo estará dado para una mínima producción y S y Cp máximos

el caudal máximo estará dado para una máxima producción y S y Cp mínimos

los caudales mínimos transportables quedan definidos por la velocidad mínima de sedimentación

Regresar


Zona de trabajo para un sistema de transporte

Tonelaje

mínimo

Tonelaje

operación

Tonelaje

máximo

Concentración

mínima

Concentración

operación

Concentración

máxima

Caudal mínimo

Caudal operación

Caudal máximoPunto de

operación

Cp

TMSPH

Regresar


Selección del tipo de ducto de conducción

Para conducción en presión transporte horizontal transporte a altura

La tubería debe ser de acero

Regresar


Selección del tipo de ducto de conducción

Para conducción gravitacional

Consideraciones el trazado por tubería para un mismo sistema es menor que el

trazado por canaleta el costo de la canaleta es mucho menor que el de tubería

Referencia para conducciones mayores de 200 L/s, y para trazados por

canaleta el doble que por tubería, se recomienda tubería para caudales menores que 200L/s, conducción en presión

Regresar

Selección del tipo de bomba

Existen dos tipos de bomba Bombas centrífugas de pulpa Bombas de desplazamiento positivo

Bombas centrífugas de pulpa eficiencias sobre 60% presiones hasta 700 psi (en serie) duración de elementos desgastables hasta 1000 horas.

Bombas de desplazamiento positivo eficiencias entre 80 y 90% presiones hasta 3000 psi pueden desarrollar grandes alturas de impulsión

Regresar

Selección del tipo de bomba

Los aspectos importantes son: costos altura de impulsión

El sistema con bombas centrífugas es más económico

las bombas de desplazamiento positivo son convenientes para:

grandes alturas de impulsión pulpas extremadamente viscosas

Regresar

Selección del tipo de tubería

Los tipos más utilizados son: Acero comercial

es el más utilizado se fatiga sobre 28.000 psi alto desgaste y corrosión interna y externa

aceros de alta resistencia se fatiga sobre 65.000 psi alto costo

Plásticas pueden ser de PVC, polipropileno, polietileno, HDP, etc.. fáciles de instalar presiones menores que 100 a 200 psi

Acero revestido de polietileno se busca resistencia a la corrosión y soportar altas presiones

Regresar

Válvulas

Dada las características abrasivas de la pulpa, no es conveniente utilizar válvulas de laberinto, de mariposa o de compuerta (de agua)

la selección se basa en dos factores si actúa como estrangulamiento o como válvula de corte

tipos de válvula válvula Pinch válvula de bola válvulas de cono

Regresar

Válvulas

Válvula Pinch mangas de goma flexible que reduce su área de flujo mediante

pinzas o aire comprimido la precaución es que se usen con una coraza metálica exterior

para absorber las sobrepresiones y no entren en resonancia

Válvula de bola especiales para flujos viscosos o con sólidos en suspensión

Válvulas de cono similares a las de bola pero cuentan con un sello hidráulico que permite reducir el torque

Regresar

Regresar

Generalidades

Camiones diseño de una red vial chancado primario cerca de los yacimientos sistema de protección para el invierno sistema simple costos en general altos

Vía férrea no se utiliza en Sudamérica las pendientes son altas

Regresar

Problemas operacionales en canales

El depósito en el fondo local provoca formación de ondas superficiales (desborde)

aumenta el riesgo de embanques mayores

también se forman resaltos hidráulicos, lo que aumenta el área y disminuye el caudal.

hay riesgo de caída de animales y gente

si el canal es por excavación, para velocidades mayores de 4 m/s, se sigue profundizando.

Regresar

Problemas operacionales en tuberías de pulpa

desgaste de líneas de pulpa (abrasión mecánica y electroquímica)

fenómeno de migración (por cortes de flujo)

vaciado de pulpa (drenaje de la línea)

llenado de tuberías de pulpa

en general, cuando el flujo no es estacionario

Regresar

Sistemas de medición y control

Tuberías a presión la instrumentación más adecuada es la no obstructiva (externa o

parte de ella)

Las variables más importantes son: caudal de pulpa (o velocidad) densidad de pulpa presión relativa o absoluta

Adicionalmente, también: espesor de la tubería pH de la pulpa temperatura de la pulpa y ambiental

Regresar


Medición de caudal de pulpa flujómetros magnéticos medidores ultrasónicos

Densidad de pulpa densímetros de absorción radiactiva o ultrasónica pesaje de un ramal de la línea

Presión medidores de presión electrónicos de diafragma

Regresar

Regresar


Canaletas medición de niveles pH temperatura de la pulpa

Medición de niveles ultrasónica

Regresar

Generalidades

Las soluciones más habituales para el transporte de productos mineros son:

camiones vía férrea andarivel cinta transportadora y transporte hidráulico

Regresar

bombas diseño selección y uso

Documents