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Bomba centrífuga

Bomba centrífuga Warman en una aplicación de planta de preparación de carbón . Un par de bombas centrífugas para la circulación de agua caliente dentro de un sistema de calefacc...

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Bomba centrífuga Warman en una aplicación de planta de preparación de carbón .
Un par de bombas centrífugas para la circulación de agua caliente dentro de un sistema de calefacción hidrónica.

Las bombas centrífugas se utilizan para transportar fluidos mediante la conversión de la energía cinética rotacional en energía hidrodinámica del flujo del fluido. La energía rotacional generalmente proviene de un motor o un motor eléctrico . Son una subclase de turbomáquinas dinámicas axisimétricas de absorción de trabajo . [ 1 ] El fluido ingresa al impulsor de la bomba a lo largo o cerca del eje de rotación y es acelerado por el impulsor, fluyendo radialmente hacia afuera hacia un difusor o cámara voluta (carcasa), desde donde sale.

Entre sus usos comunes se incluyen el bombeo de agua, aguas residuales, productos agrícolas, petróleo y productos petroquímicos. Las bombas centrífugas suelen elegirse por su alta capacidad de caudal, compatibilidad con soluciones abrasivas, capacidad de mezcla y su ingeniería relativamente sencilla. [ 2 ] Un ventilador centrífugo se utiliza habitualmente para la instalación de una unidad de tratamiento de aire o una aspiradora . La función inversa de la bomba centrífuga es la de una turbina hidráulica que convierte la energía potencial de la presión del agua en energía mecánica rotacional.

Historia

Según Reti, la primera máquina que podría caracterizarse como bomba centrífuga fue una máquina de elevación de lodo que apareció ya en 1475 en un tratado del ingeniero renacentista italiano Francesco di Giorgio Martini . [ 3 ] Las verdaderas bombas centrífugas no se desarrollaron hasta finales del siglo XVII, cuando Denis Papin construyó una con paletas rectas. La paleta curva fue introducida por el inventor británico John Appold en 1851.

Principio de funcionamiento

Vista en sección de una bomba centrífuga

Como la mayoría de las bombas, una bomba centrífuga convierte la energía rotacional, generalmente proveniente de un motor, en energía cinética del fluido. Una parte de esta energía se transforma en energía cinética del fluido. El fluido ingresa axialmente a través del ojo de la carcasa, es arrastrado por las palas del impulsor y gira tangencial y radialmente hacia afuera hasta que sale por todas las partes circunferenciales del impulsor hacia el difusor de la carcasa. El fluido gana velocidad y presión al pasar por el impulsor. El difusor, o sección en espiral, con forma de anillo, desacelera el flujo y aumenta aún más la presión.

Descripción de Euler

Ecuación de la bomba de Euler

Una consecuencia de la segunda ley de la mecánica de Newton es la conservación del momento angular (o el “momento de inercia”), que es de fundamental importancia para todas las turbomáquinas. En consecuencia, el cambio del momento angular es igual a la suma de los momentos externos. Por lo tanto, el par del eje viene dado por

T→=ρQ(r→2×V→2−r→1×V→1){\displaystyle {\vec {T}}=\rho Q({\vec {r}}_{2}\times {\vec {V}}_{2}-{\vec {r}}_{1}\times {\vec {V}}_{1})}

dónde:

  • ρ{\displaystyle \rho }es la densidad del fluido (kg/ m³ )
  • Q{\displaystyle Q}es el caudal (m³ / s)
  • r→1{\displaystyle {\vec {r}}_{1}}yr→2{\displaystyle {\vec {r}}_{2}}son los vectores de posición de la entrada y la salida respectivamente (|r→|{\displaystyle |{\vec {r}}|}es el radio)
  • V→1{\displaystyle {\vec {V}}_{1}}yV→2{\displaystyle {\vec {V}}_{2}}son los vectores de velocidad absoluta del fluido en la entrada y la salida, respectivamente.

La potencia del eje viene dada por

PAGmetro=T→⋅ω→=ρQ(V→2⋅tú→2−V→1⋅tú→1){\displaystyle P_{m}={\vec {T}}\cdot {\vec {\omega }}=\rho Q({\vec {V}}_{2}\cdot {\vec {u}}_{2}-{\vec {V}}_{1}\cdot {\vec {u}}_{1})}

dónde

  • ω→{\displaystyle {\vec {\omega }}}es el vector de velocidad angular de la bomba
  • tú→1=ω→×r→1{\displaystyle {\vec {u}}_{1}={\vec {\omega }}\times {\vec {r}}_{1}}ytú→2=ω→×r→2{\displaystyle {\vec {u}}_{2}={\vec {\omega }}\times {\vec {r}}_{2}}son los vectores de velocidad circunferencial de la pala en la entrada y la salida respectivamente

Euler desarrolló la ecuación de elevación de carga creada por el impulsor como

Ht=PAGmetroρgramoQ=V→2⋅tú→2−V→1⋅tú→1gramo=(V22−V12)+(tú22−tú12)−(w22−w12)2gramo{\displaystyle H_{t}={\frac {P_{m}}{\rho gQ}}={\frac {{\vec {V}}_{2}\cdot {\vec {u}}_{2}-{\vec {V}}_{1}\cdot {\vec {u}}_{1}}{g}}={\frac {(V_{2}^{2}-V_{1}^{2})+(u_{2}^{2}-u_{1}^{2})-(w_{2}^{2}-w_{1}^{2})}{2g}}}

dónde

  • Ht{\displaystyle H_{t}}es la elevación teórica de la cabeza
  • gramo{\displaystyle g}es la aceleración estándar de la gravedad (9,80665 m/ s² )
  • w→=V→−tú→{\displaystyle {\vec {w}}={\vec {V}}-{\vec {u}}}es el vector de velocidad relativa

Triángulo de velocidad

El triángulo formado por vectores de velocidadtú→,V→,w→{\displaystyle {\vec {u}},{\vec {V}},{\vec {w}}}se denomina triángulo de velocidad .

Factor de eficiencia

Dado que la potencia suministrada al fluido esρgramoQH{\displaystyle \rho gQH}, el factor de eficiencia viene dado por

η=ρgramoQHPAGmetro{\displaystyle \eta ={\frac {\rho gQH}{P_{m}}}}

dónde:

  • PAGmetro{\displaystyle P_{m}}¿Cuál es la potencia de entrada mecánica requerida (en vatios)?
  • ρ{\displaystyle \rho }es la densidad del fluido (kg/ m³ )
  • gramo{\displaystyle g}es la aceleración estándar de la gravedad (9,80665 m/ s² )
  • H{\displaystyle H}es la carga de energía añadida al flujo (en metros)
  • Q{\displaystyle Q}es el caudal (en m³ / s)
  • η{\displaystyle \eta }es la eficiencia de la planta de bombeo como un decimal

La altura añadida por la bomba (H{\displaystyle H}) es la suma de la elevación estática, la pérdida de carga debida a la fricción y cualquier pérdida debida a válvulas o codos de tubería, todo expresado en metros de fluido. La potencia se expresa más comúnmente en kilovatios (10³ W , kW) o caballos de fuerza . El valor de la eficiencia de la bomba,ηbomba{\displaystyle \eta _{\textrm {bomba}}}, puede expresarse para la bomba en sí o como una eficiencia combinada del sistema de bomba y motor.

Bombas centrífugas verticales

Las bombas centrífugas verticales también se conocen como bombas de voladizo. Utilizan una configuración única de eje y soporte de cojinetes que permite que la voluta cuelgue dentro del depósito mientras que los cojinetes se encuentran fuera de él. Este tipo de bomba no utiliza una caja de empaquetadura para sellar el eje, sino que emplea un buje de estrangulamiento. Una aplicación común para este tipo de bomba es en lavadoras de piezas .

Bombas de espuma

En la industria minera, o en la extracción de arenas bituminosas, se genera espuma para separar los minerales ricos o el betún de la arena y las arcillas. La espuma contiene aire que tiende a obstruir las bombas convencionales y provocar la pérdida de cebado. A lo largo de la historia, la industria ha desarrollado diferentes maneras de abordar este problema. En la industria de la pulpa y el papel, se perforan orificios en el impulsor. El aire escapa hacia la parte posterior del impulsor y un expulsor especial lo descarga de vuelta al tanque de succión. El impulsor también puede tener pequeñas paletas especiales entre las paletas primarias, llamadas paletas divididas o paletas secundarias. Algunas bombas pueden tener un ojo grande, un inductor o recirculación de la espuma presurizada desde la descarga de la bomba de vuelta a la succión para romper las burbujas. [ 4 ]

Bombas centrífugas multietapa

Soplador centrífugo multietapa [ 5 ]

Una bomba centrífuga con dos o más impulsores se denomina bomba centrífuga multietapa. Los impulsores pueden estar montados en el mismo eje o en ejes diferentes. En cada etapa, el fluido se dirige hacia el centro antes de salir por la salida exterior.

Para presiones más altas en la salida, los impulsores se pueden conectar en serie. Para un mayor caudal, los impulsores se pueden conectar en paralelo.

Una aplicación común de la bomba centrífuga multietapa es la bomba de alimentación de agua para calderas . Por ejemplo, una unidad de 350 MW requeriría dos bombas de alimentación en paralelo. Cada bomba de alimentación es una bomba centrífuga multietapa que produce 150 L/s a 21 MPa.

Toda la energía transferida al fluido proviene de la energía mecánica que impulsa el impulsor. Esto se puede medir en compresión isoentrópica , lo que resulta en un ligero aumento de temperatura (además del aumento de presión).

consumo de energía

El consumo de energía en una instalación de bombeo está determinado por el caudal requerido, la altura de elevación y la longitud y las características de fricción de la tubería. La potencia requerida para accionar una bomba (PAGi{\displaystyle P_{i}}) se define simplemente utilizando unidades del SI mediante:

Bomba centrífuga de flujo radial de una sola etapa

PAGi=ρ gramo H Qη{\displaystyle P_{i}={\cfrac {\rho \ g\ H\ Q}{\eta }}}

dónde:

  • PAGi{\displaystyle P_{i}}es la potencia de entrada requerida (en vatios )
  • ρ{\displaystyle \rho }es la densidad del fluido (en kilogramos por metro cúbico , kg/ m³ )
  • gramo{\displaystyle g}es la aceleración estándar de la gravedad (9,80665 m/ s² )
  • H{\displaystyle H}es la energía de carga añadida al flujo (en metros )
  • Q{\displaystyle Q}es el caudal volumétrico (en metros cúbicos por segundo , m³ / s)
  • η{\displaystyle \eta }es la eficiencia de la planta de bombeo como un decimal

La altura añadida por la bomba (H{\displaystyle H}) es la suma de la elevación estática, la pérdida de carga debida a la fricción y cualquier pérdida debida a válvulas o codos de tubería, todo expresado en metros de fluido. La potencia se expresa más comúnmente en kilovatios (10³ W , kW) o caballos de fuerza (1  hp = 0,746 kW ). El valor de la eficiencia de la bomba, ηpagtúmetropag{\displaystyle \eta _{bomba}}, puede expresarse para la bomba en sí o como una eficiencia combinada del sistema de bomba y motor.

El consumo de energía se determina multiplicando la potencia requerida por el tiempo de funcionamiento de la bomba.

Problemas de las bombas centrífugas

Estas son algunas de las dificultades que se presentan en las bombas centrífugas: [ 6 ]

  • Cavitación : la altura neta de aspiración positiva ( NPSH ) del sistema es demasiado baja para la bomba seleccionada.
  • El desgaste del impulsor puede verse agravado por sólidos en suspensión o cavitación.
  • Corrosión dentro de la bomba causada por las propiedades del fluido.
  • Sobrecalentamiento debido a un flujo bajo
  • Fugas a lo largo del eje giratorio.
  • Falta de cebado: las bombas centrífugas deben llenarse (con el fluido que se va a bombear) para poder funcionar.
  • Aumento
  • Los líquidos viscosos pueden reducir la eficiencia.
  • Otros tipos de bombas pueden ser más adecuados para aplicaciones de alta presión.
  • Los sólidos o residuos de gran tamaño pueden obstruir la bomba.
Gráfico circular que muestra las causas de los daños en las bombas.

Bombas centrífugas para el control de sólidos

Un sistema de control de sólidos en yacimientos petrolíferos requiere numerosas bombas centrífugas ubicadas sobre o dentro de los tanques de lodo. Los tipos de bombas centrífugas utilizadas son bombas de arena, bombas sumergibles para lodos, bombas de cizallamiento y bombas de carga. Se definen según sus diferentes funciones, pero su principio de funcionamiento es el mismo.

Las bombas centrífugas también se utilizan ampliamente en operaciones industriales como el procesamiento químico, la industria farmacéutica, la fabricación de alimentos, el tratamiento de agua y la alimentación de calderas. Su capacidad para manejar grandes caudales con un mantenimiento relativamente bajo las hace idóneas para entornos de funcionamiento continuo.

Bombas acopladas magnéticamente

Las bombas de acoplamiento magnético, o bombas de accionamiento magnético, se diferencian del estilo de bombeo tradicional, ya que el motor se acopla a la bomba mediante medios magnéticos en lugar de mediante un eje mecánico directo. La bomba funciona mediante un imán de accionamiento que impulsa el rotor, el cual está acoplado magnéticamente al eje primario accionado por el motor. [ 7 ] Se utilizan a menudo donde la fuga del fluido bombeado representa un gran riesgo (por ejemplo, fluidos agresivos en la industria química o nuclear, o descargas eléctricas, como en fuentes de jardín). Otros casos de uso incluyen el bombeo de fluidos corrosivos, combustibles o tóxicos (por ejemplo, ácido clorhídrico , hidróxido de sodio , hipoclorito de sodio, ácido sulfúrico , cloruro férrico/ferroso o ácido nítrico ). [ 8 ] No tienen conexión directa entre el eje del motor y el impulsor, por lo que no se necesita prensaestopas ni empaquetadura . No hay riesgo de fugas, a menos que la carcasa esté rota. Dado que el eje de la bomba no está soportado por cojinetes externos a la carcasa , el soporte interno se proporciona mediante casquillos. La potencia de las bombas de accionamiento magnético puede variar desde unos pocos vatios hasta un gigantesco  MW.

Cebado

El proceso de llenar la bomba con líquido se denomina cebado. Todas las bombas centrífugas requieren líquido en la carcasa para cebarse. Si la carcasa se llena de vapores o gases, el impulsor se bloquea y deja de funcionar. [ 9 ] Para asegurar que una bomba centrífuga permanezca cebada y no se bloquee por gases, la mayoría se ubican por debajo del nivel de la fuente de la que toma la succión. El mismo efecto se puede lograr suministrando líquido a la succión de la bomba a presión, mediante otra bomba ubicada en la misma línea de succión.

Bomba centrífuga autocebante

En condiciones normales, las bombas centrífugas comunes no pueden evacuar el aire de una línea de entrada que conduce a un nivel de fluido cuya altitud geodésica es inferior a la de la bomba. Las bombas autocebantes deben ser capaces de evacuar el aire de la línea de succión sin necesidad de dispositivos auxiliares externos.

Las bombas centrífugas con una etapa de succión interna, como las bombas de chorro de agua o las bombas de canal lateral, también se clasifican como bombas autocebantes. [ 9 ] Las bombas centrífugas autocebantes se inventaron en 1935. Una de las primeras empresas en comercializar una bomba centrífuga autocebante fue American Marsh en 1938.

Las bombas centrífugas que no están diseñadas con una etapa de autocebado interna o externa solo pueden comenzar a bombear el fluido después de que la bomba se haya cebado inicialmente con el fluido. Más robustas pero más lentas, sus impulsores están diseñados para mover líquido, que es mucho más denso que el aire, lo que les impide funcionar cuando hay aire presente. [ 10 ] Además, se debe instalar una válvula de retención de clapeta en el lado de succión o una válvula de ventilación para evitar cualquier efecto de sifón y asegurar que el fluido permanezca en la carcasa cuando la bomba se haya detenido. En las bombas centrífugas autocebantes con una cámara de separación, el fluido bombeado y las burbujas de aire arrastradas son bombeados a la cámara de separación por la acción del impulsor.

El aire escapa por la boquilla de descarga de la bomba mientras el fluido vuelve a caer y es arrastrado nuevamente por el impulsor. De esta forma, la línea de succión se evacua continuamente. El diseño requerido para esta función de autocebado afecta negativamente la eficiencia de la bomba. Además, las dimensiones de la cámara de separación son relativamente grandes. Por estas razones, esta solución solo se adopta para bombas pequeñas, como las de jardín. Los tipos de bombas autocebantes más comunes son las de canal lateral y las de anillo líquido.

Otro tipo de bomba autocebante es la bomba centrífuga con dos cámaras de carcasa y un impulsor abierto. Este diseño se utiliza no solo por su capacidad de autocebado, sino también por sus efectos de desgasificación al bombear mezclas bifásicas (aire/gas y líquido) durante un corto período de tiempo en ingeniería de procesos o al manipular fluidos contaminados, por ejemplo, al drenar agua de pozos de construcción. Este tipo de bomba funciona sin válvula de pie ni dispositivo de evacuación en el lado de succión. La bomba debe cebarse con el fluido a manejar antes de su puesta en marcha. La mezcla bifásica se bombea hasta que la línea de succión se haya evacuado y el nivel del fluido haya sido empujado hacia la cámara de entrada de succión frontal por la presión atmosférica. Durante el funcionamiento normal de bombeo, esta bomba funciona como una bomba centrífuga convencional.

Clasificación de las bombas centrífugas

Las bombas centrífugas se dividen en muchos tipos según sus diferentes características estructurales.

  • Según el número de impulsores en funcionamiento: existen bombas de una sola etapa y bombas multietapa;
  • Según la presión de trabajo: existen bombas de baja presión, bombas de presión media y bombas de alta presión;
  • Según el tipo de succión: existen bombas de succión simple y bombas de succión doble;
  • Según la forma de la junta de la carcasa de la bomba: existen bombas con carcasa dividida horizontal y bombas con junta vertical;
  • Según el tipo de descarga: existen bombas de voluta y bombas de paletas guía.

Por ejemplo, a veces decimos que una bomba pertenece a una bomba multietapa según el número de etapas del impulsor, luego observamos sus características estructurales, y puede ser una bomba horizontal, o una bomba vertical combinada de superficie, o una bomba de paletas guía, o una bomba de alta presión, o una bomba de agua de un solo lado, etc.

  • Según la posición del eje de la bomba, existen bombas horizontales y bombas verticales. Las bombas centrífugas horizontales son las más utilizadas en la industria petroquímica.
  • Bombas centrífugas horizontales según la forma de división de la carcasa: existen bombas centrífugas horizontales de división radial y bombas centrífugas horizontales de división axial.
  • Según el número de carcasas de la bomba: existen bombas de carcasa simple y bombas de doble carcasa (tipo cilindro);
  • Según el tipo de soporte del cojinete: existen bombas centrífugas en voladizo y bombas centrífugas entre cojinetes. [ 11 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Shepard, Dennis G. (1956). Principios de turbomáquinas . Macmillan. ISBN 0-471-85546-4. LCCN 56002849 . {{cite book}}: Incompatibilidad de ISBN/Fecha ( ayuda )
  2. ↑ "Tipos, costos y especificaciones de bombas pulverizadoras" . Suministros para pulverizadores . 13 de octubre de 2018. Archivado del original el 21 de noviembre de 2018. Consultado el 21 de noviembre de 2018 .
  3. ↑ Reti, Ladislao; Di Giorgio Martini, Francesco (verano de 1963). "Tratado sobre la ingeniería y sus plagiadores de Francesco di Giorgio (Armani) Martini". Tecnología y Cultura . 4 (3): 287–298 (290). doi : 10.2307/3100858 . JSTOR 3100858 . 
  4. ↑ Baha Abulnaga (2004). Bombeo de espuma de arenas bituminosas (PDF) . XXI Simposio Internacional de Usuarios de Bombas, Baltimore, Maryland. Publicado por la Universidad Texas A&M, Texas, EE. UU. Archivado del original (PDF) el 11 de agosto de 2014. Consultado el 28 de octubre de 2012 .
  5. ↑ Moniz, Paresh Girdhar, Octo (2004). Diseño, operación y mantenimiento prácticos de bombas centrífugas (1.ª ed. publicada ). Oxford: Newnes. p. 13. ISBN   0750662735Consultado el 3 de abril de 2015 .{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  6. ↑ Larry Bachus, Angle Custodio (2003). Conozca y comprenda las bombas centrífugas . Elsevier Ltd. ISBN 1856174093.
  7. ↑ Karassik, Igor J. (2001). Manual de bombas (tercera ed.). McGraw Hill Education . ISBN  9780070340329.
  8. ↑ "¿Qué es una bomba Mag-Drive?" . CECO Environmental . 12 de julio de 2021 . Consultado el 30 de abril de 2023 .
  9. 1 2 Gülich, JF. (2008). Bombas centrífugas . Berlín: Springer. pág. 79. doi : 10.1007/978-3-642-12824-0 . ISBN  978-3-642-12824-0.
  10. ↑ "¿Cómo funcionan las bombas autocebantes?" . Blog de Pump Sales Direct . 11/05/2018 . Consultado el 11/05/2018 .
  11. ↑ "Clasificación de bombas centrífugas" . ZGPV . 17 de abril de 2023. Consultado el 17 de abril de 2023 .

Guía definitiva de bombas centrífugas para procesos industriales , Guía definitiva de bombas centrífugas para procesos industriales

Fuentes

  • Comité de Normas ASME B73, Bombas para Productos Químicos