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).
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++
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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