27 mayo 2012

Tutorial para diseñar sistemas con bombas centrífugas (5ª PARTE)




Antes de dejar la bomba, las partículas del fluido reducen la velocidad a la entrada de la tubería de descarga que será la misma velocidad a través del sistema si el diámetro de la tubería no cambia.

¿Cómo cambia el caudal cuando cambia la elevación del extremo de la tubería de descarga o cuando hay un incremento o decremento en la fricción de la tubería? Estos cambios causan que la presión a la salida de la bomba se incremente cuando el caudal decrece.

¿Cómo se ajusta la bomba a este cambio en la presión? O en otras palabras, si la presión cambia debido a factores exteriores, cómo responde la bomba a este cambio.

La presión se produce por la velocidad rotacional de los álabes del rodete. La velocidad es constante. La bomba producirá una cierta presión de descarga correspondiendo a las condiciones particulares del sistema (por ejemplo, viscosidad del fluido, tamaño de tubería, diferencia de elevación, etc.). Si cambiando algo en el sistema el caudal decrece (por ejemplo cerrando una válvula de descarga), habrá un incremento en la presión en la descarga de la bomba debido a que no hay una reducción correspondiente en la velocidad del rodete. La bomba produce una energía de velocidad excesiva debido a que opera a velocidad constante, el exceso de energía de velocidad se transforma en energía de presión y la presión sube.

Todas las bombas centrífugas tienen una curva característica o rendimiento similar a la que vemos en la figura con la que abrimos el artículo (asumiendo que el nivel en el tanque de succión queda constante). Esta curva muestra cómo la presión de descarga varía con el caudal a través de la bomba.

De esta forma a 200 gpm, esta bomba produce una presión de descarga de 20 psig, y ya que el caudal cae la presión alcanzará un máximo de 40 psig.

El razonamiento anterior se aplica a las bombas centrífugas, pero muchos propietarios tienen bombas de desplazamiento positivo, a menudo bombas de pistón. Aquellas bombas producen un caudal constante y ningún cambio puede hacerse en el sistema.

¿Cuál es la altura total?

La altura y caudal totales son los criterios principales que se usan para comparar una bomba con otra o seleccionar una bomba centrífuga para una aplicación. La altura total está relacionada con la presión de descarga de la bomba. ¿Por qué no usamos la presión descarga? La presión es un concepto familiar en la vida diaria.

Por buenos motivos, los fabricantes de bombas no usan la presión de descarga como un criterio para la selección de una bomba. Un motivo es que no conocen cómo usar la bomba. Ellos no conocen el caudal requerido y el caudal de una bomba centrífuga no es fijo. La presión de descarga depende de la presión disponible en el lado de succión de la bomba. Si la fuente de agua en la bomba está por debajo o encima de la succión de la bomba, para el mismo caudal conseguiremos una diferente presión de descarga. Por lo tanto para eliminar este problema, es preferible usar la diferencia de presión entre la entrada y salida de la bomba.

Los fabricantes han ido un paso más allá, la cantidad de presión que una bomba puede producir depende de la densidad del fluido, para una solución de agua salada que es más densa que el agua pura, la presión será más alta para el mismo caudal. Nuevamente, el fabricante no conoce que tipo de fluido hay en el sistema, así que un criterio que no depende de la densidad es muy útil. Hay un criterio que se llama altura total, y se define como la diferencia de altura entra la entrada y salida de la bomba.

Podemos medir la altura de descarga fijando un tubo en el lado de descarga de la bomba y midiendo la altura del líquido en el tubo con respecto a la succión de la bomba. El tubo tendrá bastante altura para una bomba doméstica típica. Si la presión de descarga es 40 psi el tendría una altura de 92 pies. No es un método práctico pero ayuda a explicar cómo la altura está relacionada con la altura total y cómo la altura se relaciona con la presión. Haremos lo mismo para medir la altura de succión. La diferencia entre los dos es la altura total de la bomba.

El fluido en el tubo de medición del lado de succión o lado de descarga o succión de la bomba elevará a la misma altura para todos los fluidos independientemente de la densidad. La bomba produce presión y la diferencia en la presión en la bomba es la cantidad de energía de presión disponible en el sistema. Si el fluido es denso, tal como una solución de sal, se produce más presión en la solución descarga de la bomba si el fluido es agua pura. Si comparamos dos depósitos con la misma forma cilíndrica, con mismo volumen y nivel de líquido, el depósito con un fluido más denso tendrá una presión más alta en el fondo. Pero la altura estática de la superficie del fluido con respecto al fondo es la misma.

¿Cuál es la relación entre altura y altura total?

La altura total es la altura que el líquido eleva en el lado de la descarga de las bombas menos la altura que se eleva al lado de succión. ¿Por qué menos la altura en el lado de succión?

¿Cuál es la unidad de altura?

Primero abordemos la unidad de energía. La energía puede expresarse en pies-libras que es la fuerza requerida para elevar un objeto multiplicada por la distancia vertical. Un buen ejemplo es la elevación de un peso. Si elevamos 100 libras (445 Newtons) 6 pies (1,83 m), la energía requerida es 6 x 100 = 600 ft-lbt (814 Nm).

La altura se define como la energía dividida por el peso del objeto desplazado. La energía dividida por el peso desplazado es 6 x 100 / 100 = 6 pies (1,83 m), así que la energía por libra necesaria para elevar es 6 pies. Este concepto es muy útil para desplazar fluidos.

Podemos estar interesados en conocer que 324 pies-libra de energía son equivalentes a una caloría.

En la siguiente figura vemos cuanta energía se requiere para desplazar verticalmente un galón de agua.



En la siguiente figura vemos cuanta altura se requiere para hacer el mismo trabajo.


Si usamos energía para describir cuanto trabajo necesita para hacer desplazar un volumen de líquido necesitamos conocer el peso. Si usamos altura, nosotros sólo necesitamos conocer la distancia vertical de movimiento. Esto es muy útil para fluidos debido a que el bombeo es un proceso continuo, usualmente cuando bombeamos dejamos que la bomba se encienda, y no arrancaremos la bomba por cada libra de fluido desplazado. Normalmente estaremos interesados en establecer un caudal continuo.

Veamos un pequeño ejemplo para ilustrar cómo calcular la altura estática que necesitamos para elevar agua.

Pensemos por ejemplo elevar agua a una segunda planta a una altura de 15 pies (ft). Lo primero que debemos tomar en consideración es el nivel de agua en el tanque de succión. Si el nivel de agua es de 10 ft bajo la conexión de succión de la bomba entonces la altura estática será 10 + 15 = 25 ft. Por lo tanto la altura total será al menos de 25 ft más la pérdida de altura de fricción del fluido moviéndose a través de las tuberías.

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