23 mayo 2012

Tutorial para diseñar sistemas con bombas centrífugas (2ª PARTE)





Ver 1ª PARTE

Energía y altura en los sistemas de bombeo

La energía y la altura son dos términos que a menudo se usan en sistemas de bombeo. Usamos energía para describir el movimiento de los líquidos en sistemas de bombeo porque es más fácil que otros métodos. Hay cuatro formas de energía en los sistemas de bombeo: Presión, elevación, fricción y velocidad.

La presión se produce en el fondeo del depósito debido a que el líquido rellena el contenedor completamente y su peso produce una fuerza que se distribuye sobre una superficie que está presurizada. Este tipo de presión se llama presión estática. La energía de presión es la energía que se acumula cuando las partículas de líquido o gas se mueven entre sí. Un buen ejemplo es un extintor, que contiene líquido y luego es presurizado. Una vez el contenedor se cierra la energía de presión está disponible para su uso posterior.

La energía de elevación es la energía que está disponible en un líquido cuando está a una cierta altura. Si permitimos que este líquido se descargue podemos hacer un trabajo útil tal como una turbina produciendo electricidad.

La energía de fricción es la energía que se pierde al medio ambiente debido al movimiento del líquido a través de tuberías y accesorios en el sistema.

La energía de velocidad es la energía que tienen los objetos en movimiento. Cuando el agua sale de una manguera, tiene energía de velocidad. Si tenemos un depósito estaremos produciendo presión en el fondo y en el tubo de salida. Cuando abrimos la válvula en el fondo del depósito el fluido deja el depósito con una cierta velocidad, en este caso la energía de presión se convierte a energía de velocidad. Lo mismo ocurre con el tubo.

Las tres formas de energía: elevación, presión y velocidad interactúan entre sí. Para objetos sólidos no hay energía de presión porque no se extiende hacia afuera cuando el líquido rellena todo el espacio disponible y por lo tanto no está sujeto al mismo tipo de cambio de presión.

La energía que la bomba debe suministrar es la energía de fricción más la energía de elevación.

La energía de elevación EE es el peso del objeto W por la distancia.

La energía de fricción FE es la fuerza de fricción F por la distancia que el líquido se desplaza o la longitud de la tubería.

La altura se define como energía dividida por el peso o la cantidad de energía usada para desplazar un objeto dividido por su peso. Por energía de elevación, la altura de elevación EH es:

La fuerza de fricción F está en libras y W está también en libras así que la unidad de la altura de fricción está en pies (o metros). Esto representa la cantidad de energía que la bomba requiere para superar la fricción.

Si fijamos un tubo al lado de descarga de una bomba, el líquido se elevará en el tubo a una altura que exactamente equilibre la presión en la descarga de la bomba. Parte de la altura del líquido en el tubo es debida a la altura de elevación que exactamente equilibra la presión en la descarga de la bomba. Parte de la altura del líquido en el tubo es debida a la altura de elevación requerida (altura de elevación) y la otra es la altura de fricción.

Altura estática

La altura es un cuerpo de agua mantenido en reserva a una altura.



La altura se expresa en pies en el Sistema Imperial y en metros en el sistema métrico. Debido a su altura y peso el fluido produce presión en el punto más bajo. Cuanto más alto es el depósito, más alta es la presión.

La cantidad de presión en el fondo del depósito es independiente de su forma, por el mismo nivel de líquido, la presión en el fondo será la misma. Esto es importante ya que en sistemas de tuberías complejos siempre será posible conocer la presión en el fondo si conocemos la altura.

Cuando una bomba se usa para desplazar un líquido a un nivel superior usualmente se localiza en el punto más bajo o próximo a él. La altura del depósito que está a la altura estática producirá presión en la bomba que tendrá que ser superada una vez la bomba ha arrancado.

Para distinguir entre la energía de presión producida por el tanque de descarga y el tanque de succión, la altura del lado de descarga se llama altura estática y en el lado de succión la altura estática de succión.

Usualmente el líquido es desplazado desde un tanque de succión a un tanque de descarga. El fluido del tanque de succión proporciona energía de presión a la succión de la bomba que ayuda a la bomba. Deseamos conocer cuanta energía de presión de la bomba en si misma debe suministrarse así que por lo tanto sustraemos la energía de presión proporcionada por la altura de succión. La altura estética es luego la diferencia en altura de la superficie del fluido del tanque de descarga menos la superficie de fluido del tanque de succión. La altura estática se llama a veces altura estática total para indicar que la energía de presión disponible en ambos lados de la bomba se ha considerado.

Ya que hay una diferencia en altura entre las bridas de succión y descarga o conexiones de una bomba por convención se acuerda que la altura estática debe ser medida con respecto a la elevación de la brida de succión.

Si el extremo de la tubería de descarga está abierto a la atmósfera entonces la altura estática se mide con respecto al extremo de la tubería.

A veces la tubería de descarga queda sumergida, luego la altura estática será la diferencia en el elevación entre la superficie del fluido del tanque de descarga y la superficie del fluido del tanque de succión. Ya que el fluido en el sistema es un medio continuo y todas las partículas del fluido están conectadas vía presión, las partículas del fluido que se localizan en la superficie del tanque de descarga contribuirán a la acumulación de presión en la descarga de la bomba.

Por lo tanto la elevación de la superficie de descarga es la altura que debe considerarse por la altura estática. Eludir el error de usar el extremo de  la tubería de descarga para el cálculo de la altura estática.

Si el extremo de la tubería de descarga está sumergido, entonces se requiere una válvula de control en la descarga de la bomba para evitar el contraflujo cuando se para la bomba.

La altura estática puede cambiarse elevando la superficie del tanque de descarga (asumiendo que el extremo de la tubería está sumergido) o el tanque de succión o ambos.  Todos estos cambios influirán en el caudal.

Para determinar correctamente la altura estática determinaremos las partículas del líquido desde el comienzo hasta el final, el arranque es casi siempre en la superficie del líquido del tanque de succión. El extremo ocurrirá donde encontremos un ambiente con una presión fija tal como la atmósfera abierta, este punto es el extremo de elevación de descarga o elevación de salida. La diferencia entre las dos elevaciones es la altura estática. La altura estática puede ser negativa debido a que la elevación de salida puede ser más baja que la elevación de entrada.

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