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Calculo de Bombas

hoja de cálculo programada para el diseño de una - Repositorio

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DISEÑO Y CÁLCULO DE

UNA INSTALACIÓN DE BOMBEO

ÍNDICE

Introducción

INTRODUCCIÓN

El objetivo de este estudio es el diseño de una instalación de bombeo de gran caudal

En el cálculo de dichas instalaciones,

hay diversos parámetros de suma importancia

Número de bombas a instalar

• Diseño de la aspiración (estanque,

dimensiones) • Accesorios (válvulas,

Sin embargo,

sin duda el factor de mayor importancia es la correcta elección de la bomba

En la realización de un proyecto real de una instalación de bombeo como la del caso que nos ocupa,

tendríamos que tener en cuenta una serie de datos

Entre ellos se encuentran: Datos técnicos: modulación del caudal total,

variaciones de las alturas de elevación

Datos topográficos,

como la naturaleza del terreno o las tomas de agua

Factores dependientes de la obra a realizar y de las condiciones económicas,

periodicidad de paradas para mantenimiento,

naturaleza de la energía motriz disponible,

Sin embargo,

la ausencia de datos concretos sobre la instalación y las condiciones de operación,

han hecho imposible el estudio al detalle

De esta manera,

se trata de un simple boceto de lo que sería la instalación real

Otra limitación importante será la ausencia de información en el mercado sobre bombas de tan elevados caudales,

se ha sacrificado la altura de carga inicialmente requerida para tener posibilidad de acarrear el caudal indicado

CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBA

El modelo de bomba seleccionado es el KP 800 de la empresa EMU

Se trata de una bomba sumergible de flujo axial,

que acarrea grandes caudales a pequeñas alturas

Hay tres variantes diferentes de este modelo: KP 800-10O KP 800-12O KP 800-14O de los cuales la más adecuada para las condiciones de trabajo requeridas es la segunda

Como se puede apreciar en el diagrama de selección de modelo,

es la bomba de mayor capacidad de las de tipo axial

El punto aproximado sobre el que trabajara será de un caudal de unos 2000 l/s y aproximadamente 0

La potencia necesaria para accionar esta máquina es de 132 kW,

y se utilizará el modelo de motor FK 536-8/48,

PN (kW) 132

JN (Amp) 275

PESO (kg) 1650

El régimen de velocidad será de 730 rpm

El motor sumergible está refrigerado por un circuito de aceite

Todas las piezas del revestimiento son de acero fundido,

el rodete de G-Cu Sn 10 (material número 2

Eje y conexiones de tornillos de acero inoxidable

El motor está lleno de aceite

El sellado del motor está asegurado por un sello mecánico axial resistente al desgaste,

cámara de aceite y un sello mecánico adicional (ver figuras adjuntas)

El mecanismo de amarre DN 800 N,

PN 10 está compuesto de una brida de acoplamiento,

"foot elbow of coupling" codo en el pie de acoplamiento,

Figuras,

sellos mecánicos en la bomba:

PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO

VELOCIDAD ESPECÍFICA DIMENSIONAL EN FUNCIÓN DEL CAUDAL Sabiendo que la altura de carga es de 4

el caudal de 2000 l/s y el régimen de 730 rpm,

podemos calcular la velocidad específica en función del caudal:

VELOCIDAD ESPECÍFICA DIMENSIONAL EN FUNCIÓN DE LA POTENCIA En este caso:

DISEÑO DE LA CÁMARA DE ADMISIÓN La cámara de admisión tiene como propósito asegurar un caudal regular en la bomba

En caso de un diseño incorrecto se presentarían problemas de vibraciones,

cabitación y pérdidas de eficiencia en la instalación

Dichos problemas son especialmente importantes para bombas con velocidad específica alta como es el caso

La distribución de velocidades en la entrada del difusor ha de ser lo más uniforme posible

Dicha condición se hace cumplir mediante una disposición de la cámara que evite la formación de vórtices

El diseño más adecuado para nuestra instalación es el de la figura:

Se recomienda una velocidad de entrada del fluido menor de 1,3 m/s,

Q D2 π 4

el diámetro de la tobera de entrada ha de se mayor o igual a 1

El diámetro definitivo de dicha tobera se tomará sobredimensionado un 10% de 1

Las dimensiones de la aspiración finalmente serán: D'= 1

2 m R = 1

8 m S = 1

6 m b = 1

2 m W = 2

4 m E = 4

8 m e = 0

DISEÑO TUBERÍAS DE ASPIRACIÓN En el cálculo de los conductos de aspiración hacia la bomba influyen los mismos criterios que en el diseño de la cámara

Perturbaciones en el flujo (distribuciones irregulares de velocidad),

o vórtices en la aspiración provocarían reducciones en la potencia de la bomba,

empeoramiento del comportamiento en cuanto a NPSH y aumento del nivel de emisión de ruido de la instalación

También es importante reducir al máximo los accesorios a instalar,

ya que dichos elementos provocan pérdidas de carga e incluso vórtices de velocidad

Encontramos diversas recomendaciones (en algunos casos entran en contradicción con lo que hay que adoptar una solución de compromiso) en la bibliografía técnica respecto las tuberías de aspiración,

de las que hacemos un resumen:

el tubo de succión debe ser de dos o más tamaños mayores que la conexión de entrada de la bomba,

de modo que se asegura menos pérdidas de fricción en la columna de la línea de succión

tanto en la tubería de succión como la de descarga deben estar soportadas independientemente en un punto cercano a las bridas de entrada y salida

Finalmente la configuración adoptada es la de la figura:

DISEÑO TUBERÍAS DE DESCARGA Desde el punto de vista de la bomba,

los factores más importantes en el diseño de tuberías de descarga son el tamaño del tubo,

número y tipo de los accesorios y naturaleza general del diseño de la tubería

Para reducir la columna de fricción sobre la descarga de la bomba,

la línea de debe ir desde la bomba al equipo que sirve en la ruta más directa posible

Debe hacerse todo esfuerzo para mantener el número de válvulas,

accesorios y cambios de dirección al mínimo necesario para las instalaciones

La salida del tubo de descarga debe estar sumergida en todos los niveles del líquido para asegurar la columna de operación mínima

Como no se disponen datos del tipo de servicio requerido,

se ha determinado la instalación más sencilla,

con una única válvula de retención y descarga sobre un depósito considerado de altura constante

Es necesaria también la existencia de dos codos más de 90 grados y de una tobera de descarga de igual forma que la de admisión

De este modo se reducen al máximo las pérdidas para bombear el agua de un depósito a otro

ACCESORIOS

e inmediatamente después de la boca de impulsión,

se instalará una válvula de retención con resorte

Dichas válvulas han de ser colocadas en dirección vertical de flujo,

pero son las más adecuadas para ser colocadas justo sobre el tubo de presión de la bomba

La válvula es de la empresa GESTRA y es el modelo RK de un tamaño correspondiente al diámetro de la boca de impulsión (800 mm)

Éste tipo de válvulas son insensibles a turbulencias de flujo,

ofreciendo una pequeña resistencia y por tanto pérdida de carga

Para evitar problemas de "tableteo" de la válvula,

ésta ha de funcionar en la zona lineal de la curva caudal vs pérdida de carga

Es posible prescindir del resorte de cierre debido a que se trata de una instalación en tubería vertical con corriente ascendente,

aunque hay que tenerlo en cuenta por los peligros de choques a presión

La pérdida de carga que provoca es de ζ = 0

Las medidas de dicho elemento serán: DNs

DL1 donde DNs = 800 mm

DL1 = 1000 mm

La pérdida de carga se calcula de la siguiente manera

La longitud del difusor para un ángulo de 8o será:

d 2 − d1 α  ⋅ cot g  2 2

por tanto en nuestro caso: LE =

8  ⋅ cot g  = 11

que coincide con la longitud equivalente del difusor

debajo de la boca de succión,

tras la boca de impulsión y justo antes del depósito de descarga

y diámetro de entrada igual a diámetro de salida La pérdida de carga que producen es de ζ = 0

se coloca en la tubería de aspiración una válvula de compuerta

Dicha válvula es fundamentalmente del tipo abierto/cerrado

Todas las válvulas de compuerta proporcionan un paso recto total al fluido circulante,

por lo que reducen las pérdidas de carga al mínimo valor posible

Nuestra válvula tiene un coeficiente de fricción de k = 0

     Q  2        D2  0

CÁLCULO ALTURAS DE CARGA DE LA INSTALACIÓN El esquema de la instalación estudiada es el siguiente:

Aplicando la ecuación de Bernouilli entre la entrada y la salida del sistema,

tenemos que: v 2asp v2 Pasp Pdesc + z asp + + H BOMBA = + z desc + desc + ∑ζ ρ⋅ g 2⋅g ρ⋅ g 2⋅g

si consideramos la velocidad del líquido en la superficie de los depósitos nula y la cota de aspiración como cota cero nos queda la siguiente ecuación: H BOMBA = z desc + ∑ζ

Cálculo de las pérdidas de carga: v2 l'v2 ∑ζ = ∑k 2 ⋅ g + ∑f D'2 ⋅ g

Para determinar los coeficientes de aspiración determinaremos primero el número de Reynolds de las tuberías

La rugosidad relativa de las tuberías (de acero comercial) es de ε = 0

0046 cm,

los diámetros de las tuberías son Daspiración = 1 m y Dimpulsión = 0

Re aspiración =

54 m / s

2  0

Re aspiración =

9 m / s

9 ⋅ 0

el valor del coeficiente de fricción de ambas tuberías es prácticamente idéntico f = 0

por tanto finalmente se pueden calcular las pérdidas de carga: ζaspiración = 0

012 ⋅

ζimpulsión = 0

012 ⋅

0058 m 0

8 2 ⋅ 9

En algunos casos disponemos directamente de la pérdida de carga del tramo,

como es el caso de los siguientes ACCESORIO Válvula de retención Difusor tubería de entrada/salida 3 codos de 90o Las pérdidas de carga totales son: ζaspiración = 0

03 m + 0

14 m + 0

0043 m + 0

024 m = 0

0058 = 0

La altura de carga que proporciona la bomba es ∆Pbomba = 4

Finalmente,

la cota del depósito superior será de 4

1 metros

CÁLCULO DEL NPSH El NPSH (net positive succion head ) o columna neta de succión positiva es un parámetro físico de operación de instalaciones

Un diseño defectuoso de este parámetro puede producir problemas de capacidad y eficiencia en la bomba,

así como generar daños físicos en ésta por cavitación

El NPSHrequerido es un parámetro dependiente de la bomba y viene definido por el fabricante

Se determina mediante ensayos de cavitación

En nuestro caso,

el NPSHrequerido está en 2 m con un caudal de 2200 l/s

El NPSHdisponible es un parámetro de la instalación,

columna de succión o elevación,

columna de fricción y la presión de vapor del líquido que se maneja

Dependiendo de las condiciones de la aplicación,

la NPSH de que se dispone puede alterarse para conformarse con la que requiere la bomba para su operación satisfactoria

Para la instalación de que disponemos,

el NPSHdisponible es el siguiente: NPSH

Pvapor  Patm  v2 − z succión + + ∑ςaspiración +  ρ⋅ g  2⋅g ρ⋅ g 

si consideramos la velocidad en el depósito de admisión nula y la cota de dicho depósito igual que la de la bomba,

tenemos que: NPSH disponible =

2858 + = 9

81 m 998

3 ⋅ 9

81  998

3 ⋅ 9

81 

lo que nos proporciona un amplísimo margen de seguridad de ∆ = 7

POTENCIA Y RENDIMIENTO DE LA BOMBA La potencia de accionamiento de la bomba viene definida por el fabricante como ya se dijo al principio

La potencia conumida sin embargo depende del punto de funcionamiento y de la instalación en general

En este caso,

la potencia consumida es: Pcons = ρ g H Q = 998

83 W = 89

El rendimiento total de la bomba es por tanto:

ηtotal =

Pcons 89

706 = = 0

Rendim = 68 %

DESCARGA

BIBLIOGRAFÍA • BOMBAS su selección y aplicación T

Hicks Compañía editorial Continental S

• Sulzer Centrifugal Punp Handbook Sulzer Brothers Ltd,

Winterthur,

Switzerland Elsevier Applied Science • Tuberías Industriales D

Kentish URMO S

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Soler Manuel • Centrifugal and Axial flow punps Stepanoff • Turbomáquinas hidráulicas Claudio Mataix Ed

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