EVAP3

INFORME: Fluidos de una electrobomba


OBJETIVOS

- Se tiene como objetivo principal:
Realizar un estudio general acerca de los fluidos y su comportamiento en el accionar de una electrobomba.

- Cómo objetivos específicos:
Conocer el proceso completo de la circulación de un fluido en una electrobomba mediante explicaciones físicas.
Identificar las características de los fluidos.
Aprender los pros y contras de la mecánica de fluidos en una bomba centrifuga común, además de características puntuales en estas.
Calcular mediante fórmulas de la mecánica en los fluidos prescritas; el caudal, el volumen o la presión aproximados en la etapa funcional de la electrobomba.


JUSTIFICACIÓN

Saber más acerca de cómo funcionan y circulan, mediante explicaciones detalladas, los fluidos a tratar en una bomba de agua centrifuga o motobomba es el principal objetivo para esta nueva investigación. Aportando nuevos conocimientos detallados de la mecánica de fluidos, el presente informe proporciona detalles teóricos y prácticos que nos permitirán calcular datos exactos respecto al bombeo de fluidos. Se obtienen dichos saberes gracias a la indagación de diversas fuentes que serán resumidas con datos puntuales para así enriquecer nuestros conocimientos en electrobombas.


MARCO CONCEPTUAL

Las bombas de agua son sin duda las más extensamente utilizadas (y más especialmente las bombas centrífugas) en la industria para el transporte de fluidos de todo tipo, por sus notables ventajas. Como se dijo anteriormente, las turbo bombas incrementan la energía cinética del fluido mediante la acción de un rodete que gira a gran velocidad, convirtiéndose esta energía en energía de presión en la bomba. La característica principal de estas bombas es que el caudal que proporcionan, además de depender del diseño de la propia bomba, viene condicionado por las características de la instalación en que se encuentren. En las bombas centrífugas, el líquido es introducido por el centro del rodete, y este se desplaza dentro del mismo en dirección radial al eje de giro del rodete. En las bombas axiales o de hélice, el flujo del fluido es (como su nombre indica) axial al eje de giro del rodete, mientras que en las hélicocentrífugas, son centrífugas que en vez de tener un rodete circular tiene una forma tal que el líquido en su interior en vez de girar completamente radial al eje de giro del rodete, lo hace de forma oblicua. Dado que el principio de funcionamiento de las turbo bombas es el mismo para los tres tipos, se dará explicación de su funcionamiento sobre las bombas centrífugas, que son con mucho las más utilizadas en la industria y, por tanto, tendrán una consideración especial en este tema.
 


Características

Como se ha mencionado, están formadas por un disco rotatorio denominado rodete, provisto de unas nervaduras o álabes dispuestos como indica la Figura 2.14, que gira a gran velocidad dentro de una carcasa metálica (1500-3000 r.p.m.). El giro es proporcionado por un motor eléctrico, que va acoplado al eje de giro del rodete. El líquido entra a la bomba por el eje hueco del rodete, aspirado como consecuencia de la disminución inicial de presión que producen sus álabes al girar. A continuación, este líquido es proyectado radialmente a lo largo de los álabes por la acción de la fuerza centrífuga, aumentando considerablemente su energía cinética. A la salida del rodete, esta energía cinética adquirida se transforma en energía de presión, de acuerdo con la ecuación de Bernoulli, a costa de un ensanchamiento paulatino de la sección de paso. Este ensanchamiento progresivo se puede conseguir dándole a la carcasa una forma de espiral, denominada voluta, como se indica en la Figura 2.14, o mediante otra pieza dotada de álabes, fija, denominada difusor, muy utilizado en bombas más complejas de etapas múltiples (Fig. 2.15).
















Según sea el tipo de líquido que se vaya a bombear, se elige un tipo u otro de rodete, construyéndolo además del material adecuado. Este puede ser de hierro, bronce, acero de diversos tipos, aleaciones de níquel etc.; incluso existen también de metal revestido de vidrio, de cerámica, de carbón o de fibras sintéticas, según las necesidades del fluido a impulsar. Los rodetes pueden ser cerrados, semiabiertos, abiertos o de flujo mezclado. Los primeros están formados por dos discos paralelos, entre los que se encuentran los álabes soldados a sus caras; los rodetes semiabiertos constan de un solo disco con los álabes en una de sus caras; los rodetes abiertos están formados por los álabes y el soporte imprescindible para su sujeción, y los de flujo mezclado disponen de unos álabes especiales que proporcionan además del flujo radial, un flujo axial (bombas helicocentrífugas). Los rodetes cerrados son los más corrientes y se utilizan para líquidos poco viscosos y sin sólidos en suspensión. A su vez los rodetes abiertos son los más indicados cuando se ha de bombear un líquido con sólidos abrasivos en suspensión. En cuanto a la aspiración de la bomba centrífuga, ésta puede ser sencilla o doble, según que se produzca por una de las caras del rodete o por las dos, respectivamente, tal como se indica en la Figura 2.16.









Otras características de las bombas centrífugas son que no producen pulsación en la descarga, que pueden trabajar en un amplio intervalo de presiones y caudales, para una misma velocidad de giro, y que la presión de descarga es función de la densidad del fluido bombeado.

Ventajas y Desventajas
Resumiendo, como ventajas principales de las bombas centrífugas, cabría destacar las siguientes:
-        Construcción sencilla, con gran diversidad de materiales de construcción. Bajo coste inicial y de mantenimiento (menor que el de cualquier tipo de bomba).
-        Ausencia de válvulas en el cuerpo de la bomba.
-        Posibilidad de acoplamiento directo a un motor eléctrico, dada la gran velocidad a que operan (hasta más de 4000 r.p.m.). En general, para un caudal determinado, una mayor velocidad de giro supone un menor tamaño de la bomba y del motor.
-        Al ser la de menor tamaño para una determinada capacidad, posibilidad de fabricarse formando con el motor de impulsión una unidad sellada, por lo que resulta útil para su introducción en el depósito de succión.
-        Funcionamiento muy estable. Si se produce un bloqueo de la línea de impulsión (salida de la bomba) no se produce daño en la bomba, siempre que su funcionamiento no se mantenga así por largo tiempo.
-        Puede manejar líquidos que contengan elevadas proporciones de sólidos suspendidos.
-        A diferencia de las bombas de desplazamiento positivo, pueden trabajar a válvula cerrada a la salida sin que sufran daño, proporcionando en vez de caudal, presión a la salida de la bomba.
Entre las principales desventajas que presentan las bombas centrífugas, pueden destacarse las siguientes:
-        Una bomba centrífuga de una sola etapa no puede proporcionar una presión elevada. Se construyen bombas de múltiples etapas capaces de desarrollar grandes presiones, pero resultan mucho más costosas y no se pueden construir con materiales resistentes a la corrosión, debido a su gran complejidad. Es preferible, generalmente, emplear velocidades muy altas para reducir el número de etapas necesarias.
-        Solamente pueden operar con elevado rendimiento en un intervalo limitado de condiciones (caudal-presión).
-        Necesitan de la instalación de válvulas de retención en la línea de aspiración, de lo contrario el líquido podría retornar al depósito de succión en caso de detener la bomba.
-        Los líquidos muy viscosos no pueden manejarse con buen rendimiento. En estos casos son preferibles las bombas de desplazamiento positivo.

Circulación del fluido 
Dado que el fluido ingresa de forma sensiblemente paralela al eje del rotor, necesariamente choca contra el plato que soporta las paletas, para circular en un plano normal al eje. El comportamiento es similar al de un chorro de agua proyectado contra una pared, tiende a desparramarse en dirección aproximadamente radial. En consecuencia, la componente de velocidad absoluta a la entrada tendrá dirección radial.
Como el impulsor está rotando, hay una componente de velocidad de arrastre "u" (u = w. r) y en consecuencia la partícula de fluido ingresa al impulsor con una cierta inclinación β, y una velocidad relativa w, tal que se cumpla w + u = C con lo cual la configuración es como la ilustrada. Para evitar choques entre las paletas y el flujo, que generarían remolinos y pérdida de rendimiento, es deseable que el ángulo β de las paletas coincida con el ángulo β del flujo, y esto explica que las paletas invariablemente en las máquinas de buena calidad estén siempre inclinadas hacia atrás en la entrada.
 












La cuestión de cómo conviene que estén orientadas a la salida del impulsor las paletas, tiene una solución al interpretar las fuerzas resultantes que se notan al comparar los diagramas de velocidad respectivos de dos casos extremos: Paletas inclinadas hacia atrás (β < 90º) y hacia adelante (β > 90º).






Se demuestra, entonces, que en el caso del impulsor cuyas paletas están inclinadas hacia atrás los vectores "u" y "w" poseen un ángulo obtuso entre ellos, por lo cual el vector resultante C resulta menor que en el otro caso. Esto significa que si se quiere convertir un excedente de energía cinética en presión, en el caso del impulsor cuyas paletas están inclinadas hacia adelante (β > 90º) el difusor deberá ser más complejo y por ende más costoso, dado que se debe controlar y "frenar" el fluido mucho más que en el otro caso.


Viscosidad y densidad de los fluidos
Muchas personas piensan que todos los fluidos se comportan como el agua en una bomba; sin embargo, ese error puede conducir a costosos errores.

¿Por qué son importantes la viscosidad y la densidad en relación con las bombas?
Por ejemplo, porque si necesita una bomba que ofrezca una presión de 10 bar pero no considera las propiedades del líquido bombeado, es bastante probable que no la elija correctamente.
“Si no se tienen en cuenta las distintas viscosidades y densidades de los líquidos, es muy posible que se seleccione una bomba demasiado grande, con unos costes de adquisición y funcionamiento muy elevados y que ocupe mucho espacio”, explica Søren Mortensen, director de aplicaciones de Grundfos. “Si la bomba es demasiado pequeña, simplemente no podrá mover la cantidad de líquido necesaria. Y si el motor seleccionado es demasiado pequeño para el trabajo en cuestión, se quemará o hará que el sistema de seguridad eléctrico pare la bomba”.
La viscosidad es una medida del “espesor” de un líquido, mientras que la densidad es una medida de su peso.

Entonces, ¿cuánto más espeso sea un fluido, más difícil será bombearlo?
No cabe duda de que la viscosidad o “espesor” de un fluido afecta a su comportamiento en una bomba. Sin embargo, es un tema complejo ya que la viscosidad de los fluidos puede cambiar en función de las condiciones existentes. Existen cuatro tipos principales de fluidos, cada uno de ellos con un comportamiento concreto a pesar de su viscosidad específica.
En primer lugar están los fluidos como el agua, el aceite, el alcohol y los disolventes. Estos fluidos, denominados “fluidos newtonianos”, fluyen de la misma forma sin importar lo rápido que se muevan o con qué intensidad se los agite.
El segundo tipo son los conocidos como “fluidos dilatantes”, como el helado y la mantequilla, cuya viscosidad aumenta con la agitación hasta que se vuelven casi sólidos. “Es imposible bombearlos con las bombas centrífugas convencionales, por lo que es necesario recurrir a medidas especiales para moverlos”, señala Søren Mortensen.
En tercer lugar, los “fluidos plásticos” presentan un determinado valor de esfuerzo mecánico (límite de fluencia) que debe superarse para que puedan empezar a fluir. Una vez superado ese punto, la viscosidad disminuye a medida que aumenta la agitación. “El mejor ejemplo de un fluido plástico es el kétchup”, afirma Søren Mortensen. “Basta con pensar en cómo hay que agitarlo dentro de la botella para que empiece a moverse y en cómo fluye fácilmente una vez que ha comenzado a moverse”.
El cuarto y último grupo, el de los “fluidos tixotrópicos”, es el más difícil de explicar… y el más complejo en relación con las bombas. En esta categoría se incluyen los adhesivos, las pinturas antigoteo, las grasas, los compuestos de celulosa, los jabones, los almidones y el alquitrán. Son fluidos viscosos (espesos) cuando están en reposo, pero si se agitan constantemente su viscosidad (espesor) se reduce con el tiempo.

Densidad del fluido a bombear
Existen diferentes líquidos con distintas densidades (o masas por unidad de volumen, medidas en unidades como g/cm3 o kg/m3); asimismo, la densidad de un fluido puede variar con la temperatura.
A la hora de dimensionar las bombas se presta especial atención a la “carga”, es decir, a la altura a la que se puede bombear en el aire un determinado fluido con una presión de 1 bar. Para bombear los fluidos más pesados será necesaria una presión mayor.
Tal como se observa en la ilustración 1 inferior, este parámetro puede variar notablemente. La salmuera (1,300 kg/m3) es mucho más pesada (más densa) que el gasóleo (800 kg/m3), mientras que el agua es más pesada a 20°C (997 kg/m3) que a 95 °C (960 kg/m3).



El bombeo de cuatro líquidos diferentes con una presión de 1 bar en el lado de descarga de la bomba da lugar a cuatro cargas distintas (en metros), es decir, a cuatro puntos de trabajo distintos. Los líquidos del ejemplo son los siguientes:
A.      salmuera a 20 °C
B.      agua a 20 °C
C.      agua a 95 °C
D.      gasóleo a 20 °C.

Hidroneumático

El hidroneumático, esta formado por un depósito de fierro, con una membrana de caucho que almacena el agua, al estanque se le inyecta aire a presión.
Los hidroneumáticos sirven para automatizar las bombas y controlan el número de partidas horarias de los motores eléctricos. Esto es muy importante cuando se bombean caudales variables; es el caso de los artefactos sanitarios. Los motores eléctricos disipan calor, si tienen demasiadas partidas consecutivas, se recalientan. Cuanto más grande es el tamaño del hidroneumático menor son las partidas del motor de la bomba y este trabaja más frío.
Estos equipos son muy confiables y fáciles de mantener. Se emplean en pequeñas bombas, como también en grandes equipos de bombeo para edificios.
 
















Tabla Potencia/Tiempo de una electrobomba
 





















Sumergencia y Vórtices 
 SUMERGENCIA es la altura de líquido, necesaria sobre la sección de entrada (válvula de pie, campana, tubo, etc.), para evitar la formación de remolinos (vortex ó vórtices) que puedan afectar al buen funcionamiento de la bomba.
 La formación de éstos remolinos se debe principalmente a la depresión causada por:
-          La bomba.
-          Mala disposición de la cámara de aspiración.
-          Una irregular distribución del fluido.
Como valor indicativo de la sumergencia mínima necesaria, podemos adoptarla que obtendremos por la aplicación de la fórmula:






Observaciones por falta de sumergencia
-          Fluctuaciones de caudal, sin merma apreciable en al altura.
-          Ruidos y vibraciones.
-          Requerimientos variables en al potencia (variación en el amperímetro).
-          Formación de remolinos visibles en la superficie ó sumergidos.
-          No produce cavilación.

Soluciones, para reducir la sumergencia necesaria
-          Aumento de la sección de entrada.
-          Colocación de sombrillas, campanas de aspiración.
-          Instalación de tabiques flotantes o sumergidos que eliminen las turbulencias.
-          Maderas flotantes, alrededor de la tubería de aspiración, así como pelotas de plástico, y todo aquello que sea capaz de impedir la formación de vórtices o remolinos.

Existen otros remolinos sumergidos, que habitualmente no se aprecian en la superficie y suelen producirse si el líquido a la entrada de la bomba tiende a girar en sentido contrario del eje de la misma. Este movimiento se denomina contra-rotación. 
El movimiento de contra-rotación en bombas de alta velocidad especifica como las bombas de hélice o helicoidales puede causar daños de consideración.
El indicio de remolinos sumergidos es normalmente, vibraciones y consumo de energía fluctuante en cada puesta en marcha.
El remedio es impedir la formación de estas corrientes mediante la modificación de las condiciones de aspiración del estero, pozo o depósito de aspiración, como pueden ser tabiques u otras rectificaciones. (ver tipos de instalaciones).
 








Ejemplo práctico









-        Cálculo del caudal
Formula  Q=       V  (volumen)     120.000   =20.000 lt / hora     =   333 lt/min
T   (tiempo)          6

-        Cálculo de la altura total manométrica
Para calcular la altura, debemos sumar (alturas geométricas + pérdidas de cargas).
Altura total geométrica                                            :           40 metros
Pérdidas de carga (10% de altura geométrica)   :           4 metros  (40 m.c.a. x 0,1 = 4 mca )                                                                                                          44 m.c.a.

-        Cálculo de diámetros de cañerías de succión e impulsión
Deben calcularse con mínimas perdidas de cargas. Utilizaremos la tabla de cálculo PVC.
La tubería apropia corresponde a PVC de 90 mm de diámetro.

-        Selección de la bomba
Debemos buscar el punto de trabajo ( Q vs. H  ) con la mayor eficiencia, la bomba es:

-        Cálculo de conductores eléctricos
Utilizando la tabla de cálculo Cable, se debe buscar la corriente del motor y la distancia recorrida ( 14 amper y 100 mt ).
En este caso corresponde cable tipo AWG 14 de 2,1 mm2



MARCO PROCEDIMENTAL
CODIFICANDO EN DEV C++
CONCLUSIONES








WEBGRAFIA

1) Mecánica de fluidos – Impulsión de fluidos, I. Martín, R. Salcedo, R. Font. Recuperado de: https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/20299/4/tema2_impulsion.pdf
2) Bomba Centrífuga, Wikipedia. Recuperado de: https://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_centr%C3%ADfuga
3) Manual de bombas, Benoit. Recuperado de: http://www.benoit.cl/Bombas2.htm
4) Viscosidad y densidad de los fluidos: una guía para los usuarios de bombas, Grundfos. Recuperado de: http://es.grundfos.com/sobre_bombas_grundfos/news-and-press/news/Viscosidad_y_densidad_de_fluidos.html


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