Bombas y Ventiladores

Bombas y Ventiladores
Fundamentos teóricos y prácticos
¿Cómo podemos aportar a la EE con estos equipos?
Índice
1. Descripción.
2. Clasificación.
3. Curvas Características.
4. Pérdidas de Carga en Sistemas.
5. Tipos de Arreglos.
6. Problemas de operación.
7. Eficiencia Energética en estos equipos.
8. Selección de bomba.
1. Descripción.
Bomba : Turbo máquina.
Las bombas transforman energía mecánica en energía cinética, generando
presión y velocidad en el “líquido” que maneja.
Ventilador: Turbo máquina.
Los ventiladores son equipos equivalentes a las bombas, salvo que el fluido
de trabajo es un gas. Estos equipos se diferencian de los compresores y
turbo compresores solo por las presiones de descarga.
1. Descripción.
Principio de funcionamiento
Zona baja presión, responsable
de la succión
2. Clasificación.
Las bombas se clasifican en dos grandes grupos, en función de su principio
de funcionamiento.
• Bombas de desplazamiento positivo: Estas pueden ser alternativas o rotativas,
su principal característica es que mantienen un caudal constante para cualquier
presión.
•Bombas Centrífugas: Estas bombas son exclusivamente rotativas, son mas
flexibles a los cambios del sistema que las de desplazamiento positivo y por lo
tanto son las muy utilizadas en la industria. La presión y el caudal que entregan
varía en función de cada bomba. Pueden ser de flujo axial, radial o mixto.
2. Clasificación.
2. Clasificación.
Los ventiladores se clasifican de la siguiente manera:
De hélice o helicoidales El flujo se mueve paralelo a la flecha del
ventilador. Utilizados para altos caudales y bajas presiones estáticas (25
mm.c.a)
•Axiales o tipo túnel También mueven el flujo paralelo a la flecha del
ventilador, pero estos pueden invertir la dirección de giro y por lo tanto la
dirección del flujo. Trabajan con presiones medias (75 a 100 mm.c.a).
•Centrífugos Comprende un rotor dentro de una carcasa, similar a una
bomba. Trabajan con presiones más altas (mayores a 100 mm.c.a)
2. Clasificación.
Diferentes usos según tipo de bomba.
- Leche: Se utilizan bombas de tornillos, sin agitación y en dirección
rectilínea.
- Acido sulfúrico: Se utilizan bombas de plomo, porcelana y resinas
artificiales.
- Petróleo: Para elevación de petróleo en barcos se usan bombas de tornillo.
- Vino, cerveza: Se usan bombas de membrana, actualmente a menudo se
prefieren bombas de porcelana o vidrio.
- Agua limpia: Generalmente bombas centrífugas, pero para bajos caudales
y altas presiones bombas de émbolo.
3. Curvas Características.
Las curvas características describen el comportamiento de las equipos
en función del caudal de operación.
Cada curva es exclusiva para cada bomba o ventilador, y describe
únicamente el comportamiento, eficiencia y consumo de potencia de ese
equipo en particular.
Existen curvas que muestran la eficiencia, el consumo de potencia y la
presión de descarga, ya sea de una bomba o un ventilador. Con estas se
generan la curvas de iso potencia e iso eficiencia, que son la que entregan
generalmente los proveedores.
Las curvas son
desplazamiento positivo.
diferentes
entre
bombas
centrífugas
y
de
3. Curvas Características.
Bombas Centrífugas: Flujo Radial
3. Curvas Características.
Bombas Centrífugas: Flujo Mixto
3. Curvas Características.
Bombas Centrífugas: Flujo Axial
3. Curvas Características.
Bombas Centrífugas
3. Curvas Características.
Bombas de Desplazamiento positivo
H
El límite es la potencia
del motor eléctrico.
Comportamiento
teórico
Comportamiento
real,
debido a recirculaciones
al interior de la bomba
Q
3. Curvas Características.
Ventiladores
Soplador
centrífugo
Ventilador
de túnel
Ventilador
axial
3. Curvas Características.
Ventiladores
3. Curvas Características.
Ventiladores
4. Pérdidas de carga.
Las pérdidas de carga son pérdidas de energía al interior de los ductos
como consecuencia de dos factores:
• La fricción del fluido con las paredes del ducto. Esto corresponde a
las pérdidas de carga regulares.
• La existencia de singularidades en el trayecto, como codos, tees,
etc. Estas corresponden a las pérdidas de carga singulares.
Las pérdidas de carga totales corresponden a la suma de las pérdidas
regulares y singulares.
4. Pérdidas de carga.
Pérdidas regulares
Los factores que influyen en estas pérdidas son:
• Viscosidad del fluido.
• Velocidad del fluido dentro del ducto.
• Rugosidad del ducto.
ρ ⋅V ⋅ D
Re =
µ
Número de Reynolds
• Largo y diámetro del ducto.
Las pérdidas de carga regulares se calculan de la siguiente forma:
L ρ ⋅V 2
Pérdidas _ regulares = f ⋅ ⋅
[ Pa ]
D
2
Factor de fricción, se obtiene con el diagrama de Moody
4. Pérdidas de carga.
Ducto de acero, diámetro 25 [mm]; rugosidad absoluta; 0,0024 [mm], Caudal de agua: 5 [m3/h];
Viscosidad: 0,001 [Kg/m-s]; Temperatura: 20[ºC]; Densidad: 996 [kg/s].
Diagrama de Moody
Re = 70.452 - Rugosidad Relativa: 0,096
Rugosidad relativa :
rugosidad / diámetro
f
4. Pérdidas de carga.
Rugosidades absolutas para diferentes materiales.
4. Pérdidas de carga.
Pérdidas singulares
Las pérdidas singulares las imponen los diferentes accesorios presentes
en una línea, estos son válvulas, reducciones, tees, codos, etc. Cada uno
de ellos tiene un “K”, factor que determina cual es su aporte a la pérdida de
carga. Estas pérdidas se calculan de la siguiente forma:
Pérdidas _ sin gulares = ∑ K ⋅
ρ ⋅V 2
2
Los valores de K están tabulados por diferentes fabricantes, como se
muestra en la siguiente tabla.
4. Pérdidas de carga.
Pérdidas singulares
4. Pérdidas de carga.
Para el caso de los ductos de aire, las pérdidas de carga pueden
calcularse de la misma forma que para ductos de agua solo para velocidades
bajas.
Esto debido a que para altas velocidades (MAC >= 0,3), la
compresibilidad del aire toma un papel determinante y el cálculo se torna
mucho más complicado.
4. Pérdidas de carga.
Curva de sistema
La curva del sistema representa todas las restricciones que tendrá que superar
el fluido hasta la o las aplicaciones deseadas.
La curva grafica la “altura estática de elevación” la cual corresponde a la presión
buscada o necesaria, y además grafica las pérdidas de carga totales en el
sistema, todo esto en función del caudal.
La ecuación base de la curva es la siguiente:
Sistema = Altura _ estática + Pérdidas _ totales
4. Pérdidas de carga.
Curva de sistema
H
H
H0
Q
Q
La curva del sistema representa la altura estática y dinámica. Existe una
relación cuadrática entre las pérdidas y el caudal.
5. Tipos de arreglos.
Según los requerimientos de los diferentes proceso, es usual en la
industria el encontrar arreglos de estos equipos, estos pueden ser:
• En serie
• En paralelo.
5. Tipos de arreglos.
Arreglos en Serie
H
Al instalar dos o más equipos en serie, lo que se busca es aumentar la
presión de descarga al doble.
H
H1
B
Q
H2
4
Sumando las 2 curvas obtenemos =>
H
A
H1
1
H2
Q
2
Q
5. Tipos de arreglos.
Arreglos en Paralelo
En paralelo: En este caso lo que se duplica es el caudal impulsado ya sea
por la bomba o ventilador
Ho
H1
Curva del
conjunto
Q1
Sumando los caudales de ambas curvas obtenemos =>
H
o
Ho
H1
H1
Q1
Q1
2*Q1
5. Tipos de arreglos.
Punto de Trabajo
Curva de carga de la bomba
H
h
Curva de carga del sistema
hb
q
Q
5. Tipos de arreglos.
Punto de Trabajo; Bombas en serie
H
B
Ho
4
A
Ho
1
2
Q
5. Tipos de arreglos.
Punto de Trabajo; Bombas en paralelo
Curva del conjunto
1
2
3
Ho
Curva de carga del sistema
A
B
6. Problemas de operación.
Cavitación en bombas.
La cavitación es la “evaporación” del fluido en la succión de la bomba. Esto se
debe a que el vació formado en esta zona es menor a la presión de vapor del
líquido bombeado.
Se evidencia por:
- Inestabilidades en el sistema.
- Pérdida de presión en la descarga de la bomba.
- Ruidos y vibraciones inusuales.
6. Problemas de operación.
Cavitación en bombas.
NPSH: NET POSITIVE SUCCION HEAD; Altura neta de succión positivo.
Existen 2 tipos de NPSH, el requerido y el disponible.
El requerido es entregado por el fabricante y depende del modo
constructivo de la bomba.
El disponible se refiere a la instalación, guarda relación con la altura
a la cual se encuentra la bomba por sobre el lugar de succión.
6. Problemas de operación.
Cavitación en bombas.
6. Problemas de operación.
Cavitación en bombas.
6. Problemas de operación.
Recirculación al estrangular.
Estrangulación a la descarga
H
H
Q
Q
Zona de inestabilidad y
recirculación
6. Problemas de operación.
Surge en ventiladores.
Zona de Surge; en pequeñas potencias y bajas rpm, el
ventilador puede trabajar en esta zona, pero con
vibraciones. A altas rpm estas vibraciones son
catastróficas.
7. Eficiencia energética en estos equipos.
Estrangular válvulas, variar frecuencia o cambiar rodete.
Estrangular a la descarga.
H
Variar Frecuencia
Cambiar rodete
Q
7. Eficiencia energética
en estos equipos.
Estrangular válvulas, variar
frecuencia o cambiar rodete.
Al estrangular la descarga
desperdiciando presión.
estamos
Al cambiar rodete se reduce la potencia
consumida, tal como se muestra en la
figura.
El variar frecuencia es equivalente al
cambio de rodete, la diferencia principal es
la facultad de reestablecer el punto de
operación inicial fácilmente.
Q
n
=
Q0 n0
H n
= 
H 0  n0 
P n
= 
P0  n0 
3
2
Leyes de afinidad
Q
7. Eficiencia energética
en estos equipos.
Ejemplo ahorro Energía.
Punto de operación:
Q = 26 [m3/h]
H = 35 [m]
P = 3.8 [kW]
Caudal deseado Q2 = 15 [m3/h]
H
H afinidad = int er sec ción
⋅ Q2
Qdeseado 2
H afinidad =
20 2
Q
262
Esta línea nos indica el punto inicial para
trabajar con las leyes de afinidad:
Q = 22 [m3/h]
H = 37 [m]
P = 3.5 [kW]
Con las leyes de afinidad obtenemos:
H = 17 [m]
P = 1.12 [kW]
Q = 15 [m3/h]
Q
8. Selección de Equipos.
V = m3 s
n = r. p.s.
σ YM
1
n ⋅ V
2 4
=
⋅ ( 2 ⋅π )
3
y4
y ≈ H ⋅g
8. Selección de bomba.
Bombas Centrífugas – Tipos de rodetes.
8. Selección de bomba.
Que se debe informar al proveedor.
Es importante especificar:
- Caudal.
- Presión.
- Temperatura fluido.
- Altura sobre el nivel del mar.
- Tipo de fluido.
- Material sólido presente en el flujo.
Muchas Gracias
Rodrigo Balderrama
JHG Ingeniería.
www.jhg.cl