UNIVERSIDAD DE CARABOBOFACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICADPTO. DE INGENIERÍA QUÍMICA

FENÓMENOS DE TRANSPORTE I

Prof. Victor Guanipa Quintero.

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Si queremos mover un fluido debemos efectuar un trabajo, un dispositivo mecánicopuede elevar un fluido a una altura mayor, ponerlo en movimiento, aumentar suvelocidad, forzarlo a entrar en un recipiente de mayor presión, proporcionar lapresión requerida para vencer la fricción de la tubería y losaccesorios o cualquiercombinación de estos.

Debemos impartirle toda la energía requerida para realizar este objetivo

Centrifugasa motor eléctricoa motor de turbina a vapor

Reciprocantes

Pistón

Émbolo

Diafragma

Simplex de acción doble

Duplex de acción doble

Desplazamiento positivo

RotatoriasDe engranaje

De tornillo

Externo

Interno

Bombas

Ventiladores (Suelen ser centrífugos)

SopladoresCentrífugos

Desplazamiento positivo (Rotatorios)

CompresoresCentrífugos

Desplazamiento positivo

Reciprocantes (Pistón)

Rotatorios

Centrífugos

Flujo radial

Flujo axial

Flujo mixto

Generan:Combinaciones de capacidad vs presión de

descarga - tipo de fluido a impulsar.

Multietapas Generan: Capacidades - Presiones de descarga

Mayores a los de etapa única VG/9-3

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Consisten en una cámara estacionaria cilíndrica en cuyo interior entre el fluido porla acción de un actuador contenido en el cilindro. Después, la salida se fuerza pormedio del mismo actuador en su desplazamiento regresivo, experimentando unmovimiento alternativo de avance y retroceso de un pistón cilíndrico, un émbolo oun diafragma redondo, dentro de la cámara.

t

Cau

dal

Tiempo t

Cau

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Tiempo

Sencilla de acción sencilla

Doble de acción doble

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• Servicio intermitente, es decir, el gasto a través de la bomba es variable.

• Pueden emplearse sistemas auxiliares de amortiguamientopara reducir lamagnitud de pulsación de presión y variación de flujo.

• Suelen contar con cámaras de gas en el lado de la descarga, con el objeto delimitar las pulsaciones en la presión y de esta manera asegurar un flujo uniforme enla línea de descarga.

• Baja capacidad (2 a 20 g.p.m.) a altos cabezales, suministrando las más altaspresiones que cualquier tipo de bomba.

• El dispositivo va equipado con válvulas para la entrada y ladescarga del líquidoque se bombea y el funcionamiento de dichas válvulas se relaciona de maneradefinitiva con los movimientos del impulsor de acción reciprocante.

• El volumen bombeado es función del volumen barrido por la cámara del pistón yel número de carreras por unidad de tiempo, las consideraciones mecánicas limitanlos gastos máximos, sin embargo, pueden tener un desempeño eficiente a índicesde gastos extremadamente bajos.

• Excelente para fluidos de alta viscosidad (como aceites pesados, asfalto ymelaza), más no que contengan abrasivos, que pueden dañar las superficiestrabajadas del cilindro-pistón.

•La eficiencia total de estas bombas varia del 50% para bombas pequeñas hastaaproximadamente 90% o más para las de mayor dimensión.

• No se puede cerrar la línea de descarga sin romper o atascar la bomba, se debeinstalar una línea de desvío más una válvula de seguridad.

• El flujo nunca es suave debido a la acción de vaivén. Esto causa vibraciones enlas líneas y hace dificultoso el control de las operaciones.

• Una válvula reguladora es utilizada en la descarga para graduar la velocidad.

• Una válvula de desahogo de seguridad deberá ser colocada entre el lado dedescarga de la bomba y la válvula de descarga, como medio de seguridad en casode emergencia.

• Aunque no es la práctica recomendada, conocemos de casos enque esta bomba haimpulsado semisólidos y materiales abrasivos como coque y grava.

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La cámara se mueve de la entrada a la descarga y regresa a la entrada. Eldesplazamiento del líquido se produce debido a la rotación de uno o más miembrosdentro de una carcasa estacionaria.

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• Las rotatorias de engranajes, tienen dos de estos acoplados, entre cuyos dientes seatrapa el líquido para forzarlo a salir en la descarga.• Se descarga una cantidad definida de fluido por revolucióndel aparato y los r.p.m. sonvariables, disminuyendo su capacidad por lo general al incrementarse la presión dedescarga de la bomba.• La selección del material es vital: a) deben ser resistentes a la corrosión. b)compatibles cuando una parte actúa contra otra.• Especiales para fluidos viscosos, aunque pueden operar para cualquier grado deviscosidad.• Los engranajes de dientes rectos producen pulsaciones, que pueden eliminarse condientes helicoidales de ángulo apropiado, estos a su vez producen un impulso extremoque puede eliminarse con dientes helicoidales dobles.• Sus tasas de descarga son aproximadamente constantes, donde el caudal quesuministran en función del tamaño de la cámara y de la velocidad de rotación.• Las de engranajes internos, son para manejar líquidos lubricantes y las de engranajesexternos, para fluidos no lubricantes, la primera se lubrica con el líquido que se bombeay la otra se lubrica por medio de la aplicación de aceite.• La BHP se calcula de igual forma que las centrifugas.• Se ceba por sí sola, siempre que tenga suficiente líquido enla bomba para lubricar laspartes desgastables.• Es adecuada para el manejo de aceites pesados a una presión constante y flujouniforme.• Ventajosa por su pequeño tamaño, puede ser operado a motor yenvía un flujo suave yno pulsante.• Al igual que la bomba recíproca, puede también bombear líquidos muy viscosos; perono puede manejar sólidos como la primera.• Líquidos que contengan sólidos: pequeñas partículas abrasivas como cascajo o arenase almacenarán entre las partes, ocasionando que la bomba separe completamente o sedañe en tal forma que una reparación completa es necesaria.• El líquido es aspirado, llevado a través de la bomba y expedido por la acción delengranaje, tornillos o paletas corredizas.• Una manera de controlar la cantidad de flujo es poniendo unaválvula reguladora en lalínea de descarga. Esta válvula puede entonces desviar parte o toda la capacidad de labomba. También, a través de un regulador de velocidad de rotación.• Un colador fino en la línea de succión es recomendable instalar aunque sepamos queel líquido esté limpio.• Debido a su diseño no podemos usarlas para servicios a temperaturas altas; ni sonprácticas para bombear grandes capacidades.• Mientras más baja es la velocidad de rotación, más larga es la vida de servicio de labomba. VG/9-10

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• Tipo de conversión de la energía: 1) Voluta, 2) Difusor o turbina.

• Número de etapas: 1) Una etapa, 2) Multietapas.

• Tipo de impulsor: 1) Succión sencilla o doble, 2) abierto, semiabierto o cerrado, 3)álabes de un a dos curvas.

• Eje de rotación: 1) Horizontal, 2) Vertical, 3) Inclinado.

• Caja: 1) enteriza o abierta, 2) situación de las toberas de succión y descarga.

• Método de impulso: 1) acoplamiento por conexión directa o acoplamiento cerrado, 2)por engranajes, 3) movida por correas o cadenas.

a) Usadas para grandes capacidades y presiones bajas (enfriadores de agua,tanques para servicio de campo, etc.); b) Usadas para servicios de altastemperaturas (productos de alambiques de tubo). C) Usadas para bombearpequeñas cantidades a presiones muy altas (bomba alimentadora para plantas deelaboración de capacidades pequeñas); y d) Usadas en altas presiones y altascapacidades (alimentador de plantas de elaboración, alimentador de calderas).

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Producir energía cinética mediante la acción de una fuerza centrifuga y, acontinuación, convertir parcialmente esta energía en presión, mediante la reduccióneficiente de la velocidad del fluido en movimiento.

El fluido entra a la bomba cerca del centro del impulsor rotatorio y es enviadohacia la periferia mediante acción centrifuga.

El líquido entra axialmente a la bomba por la línea de aspiración y penetra hasta elcentro de rotación del propulsor de donde se distribuyen de manera radial.

La energía cinética del fluido aumenta desde el centro del impulsor hasta elextremo de las paletas del mismo, al dejar el impulsor entrara la voluta, el fluido esdesacelerado, aumentando la presión a expensas de la energía cinética.

La rotación de impulsor imparte una carga de alta velocidad al fluido, que setransforma en carga de presión a medida que el liquido pasa a la cámara espiral yde aquí a la descarga.

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Una bomba centrifuga puede perder succión por diferentes razones:• El colador de succión puede taparse.• La línea de succión puede desarrollar un escape de aire.• Bolsitas de aire pueden formarse en la línea de succión.• El aire puede escaparse a través de la caja de empacadura.• El líquido se evapora en la bomba.• Se termina el líquido.

La parte fija consta de:a) retenedor, b)empacadura de collarín,c) anillo fijo de carbón.La parte rotatoria constade: d) anillo selladorrotatorio, e) anillo deestopas, f) anillo decompresión, g) pasador,h) resortes e i) collar demando.

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• Simplicidad de diseño.

• Bajo costo inicial.

• Poco mantenimiento.

• Flexibilidad de aplicación.

• Alta capacidad y alto cabezal.

• Servicio continuo, descarga está relativamente libre de pulsaciones.

• La presión de descarga es función de la densidad del fluido.

• El diseño mecánico se presta a grandes gastos.

• Pueden asegurar un desempeño eficiente a lo largo de un intervalo amplio de presiones ycapacidades incluso trabajando a velocidad constante.

• Son dispositivos de velocidad relativamente baja y más económicos.

• Las verticales tienden a tener requerimientos de mantenimiento alto, debido a la multitud deespacios libres en movimiento.

• Se entrega un volumen que depende de la presión de descarga o la energía añadida, donde lasr.p.m. son fijas si el motor es eléctrico.

• De tamaño de 1 a 100.000 g.p.m y presiones desde unas cuantos metros de carga hasta5000KPa.

•El espacio requerido para su instalación es mínimo y versátil. VG/9-20

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Si y son despreciables, queda:

Se define como la diferencia de cabezal entre la descarga y la succión de la misma.

++−

++=

γγa

aab

bb P

Zg

vPZ

g

vH

22

22

Cabezal Disponible de una Bomba:

Es aquel cabezal que está contenido en la información aportadapor el fabricante y es una función del caudal, tipo y modelo delabomba.

Cabezal Requerido de una Bomba:

Es una medida de la cantidad de energía necesaria para llevarunfluido desde un punto a otro, en este trayecto se consume todalaenergía suministrada por la bomba en equipos por los cuales sedesplaza el fluido, tales como: intercambiadores de calor,válvulasde control automático, tuberías, recipientes, accesorios, etc.

Es el cabezal que debe suministrar una bomba para hacer circularun determinado caudal a través de un sistema dado.

v∆ Z∆

γab PP

H−= •

•ab

( ) ( ) LTR hPP

ZZg

vvH +

−+−+−=γ

1212

21

22

2

1: inicio del circuito

2: final del circuito

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VG/9-23

Identifica aquel punto de la curva de cabezal de la bomba, cuando la bomba opera a un caudal dado.

En dicho punto, se cumple que el DR HH =

•

•

Cab

ezal

Punto de Operación

QopCaudal

• Para caudales mayores al caudal de operación, la bombaNO puedesuministrar ese caudal, ya que ahora:

•Una bomba será satisfactoria para suministrar un caudal dado en un sistemaparticular SI:

DR HH ≤

Es el punto límite en que una bomba satisface un requerimiento determinado para un servicio particular.

DR HH >

Cambios en el Sistema:• Número de accesorios.• Caudal.• Diámetro de tubería.• Material de los tubos.• Longitud de tuberías.• Elevación.• Presión a mantener en la descarga en el límite de batería del sistema.• Presión de entrada (succión) en el límite de batería del sistema.• Abertura de las válvulas.

• Radio del impulsor.• Revolución del impulsor.

Cambios en la Bomba:

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: eficiencias mínimas típicas de motores eléctricos.

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Puesto que la mayoría de las bombas son impulsadas por motoreseléctricos, debe tomarse en cuenta la eficiencia del motor paradeterminar el suministro total de energía eléctrica al mismo:

Potencia Hidráulica:

Potencia al freno:

QHPHP Rw ** γ==

n

PPBHP w

ws ==

• Empleando el concepto de eficiencia del motor-bomba

• Empleando el concepto de eficiencia de motores eléctricos

• Empleando el concepto de factor de potencia

( )mbn

mb

wmb n

PP =

Conocida la potencia “total” consumida por el equipo “motor-bomba”, se puede obtener el

consumo de electricidad.

( )en

10.1*BHPDHPM =

( )en

BHPKW=

( )en

BHPhp 746.0*=

en DHPM

75% 0,5 KW80% 2 KW84% 5 KW87% 15 KW93% >15 KW

en

Normalmente, para entrar a las tablas seasume que:

DHPM : potencia estimada del motor (solo paraefectos de ) en

Suministro de energía eléctrica (KW)

Carga operativa (KW)

( )φCos

φCosIVPmb **=nn

nominal

VI

PCos

*=φ

mbP : potencia suministrada al motor-bomba

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VG/9-25

Cada vez que la presión de un líquido cae más allá de la presiónde vaporcorrespondiente a su temperatura, el líquido tenderá a evaporarse.

Cuando esto sucede dentro de una bomba en operación, las burbujas de vapor seránarrastradas hasta un punto de mayor presión donde súbitamente se colapsarán. Estefenómeno se conoce como:

Este fenómeno ocurre por la vaporización del líquido que succiona labomba. Cuando la presión de entrada está a punto de igualarse con elpunto de vaporización del líquido, las bolsas de vapor forman burbujas enel lado posterior del álabe impulsor, cerca de la base. Las burbujas ahorase mueven del área de baja presión hacia el de alta presión cerca delextremo del álabe, al llegar a esta última área, la burbuja es comprimidapor la alta presión, desapareciendo en forma tan rápida que el líquidogolpea el álabe con tal fuerza que a veces se desprenden pequeñaspartículas del impulsor.

Es un problema que pueden presentar todas las bombas yse origina por la formación y colapso de las burbujasde vapor del fluido en cuestión.

Existe un límite inferior de la presión absoluta en la línea de succión o aspiración(entrada) de la bomba, queda fijado por la presión del líquido a su temperatura enla línea de aspiración. Si la presión sobre el líquido en la línea de aspiración sereduce a la presión de vapor, parte del líquido se evapora instantáneamente,ocurriendo la cavitación. En estas condicionesNO se puede introducir líquido a labomba.

Implosión

Formación de burbujas

Presión crítica de operación en la succión

> Explosión

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• Ocasionan daños a las superficies internas sólidas, creando descarcaramiento,erosión o picaduras, acompañado de ruido y vibraciones.

• Flujo reducido, pérdida de la eficiencia, daños en la succión y en las paletas delimpulsor cerca de los bordes de la admisión.

• Formación de hoyuelos, daños del metal a largo plazo, que son normalmentetolerables por periodos cortos e intermitentes como dos bombas una activa y otrade respaldo.

Por tanto, la presión en la succión de la bomba NO debe

reducirse más allá de la presión de vapor correspondiente a

la temperatura del fluido.

Cuando la suma de los cabezales de velocidad y presión superan elcabezal de presión de vapor del líquido, el exceso de estos sobre el de laPv, se llama:

Para evitar esto, cada fabricante de bombas publica el valornecesario para

mantener unaCarga Neta de Succión Positiva Requerida.

• Es la carga total equivalente de líquido en la línea de centro de la bomba menosla presión de vapor.

• Es el NPSH que se requiere en la brida de entrada de la bomba o en la líneacentral del impulsor, según haya sido señalado por el constructor para unaoperación satisfactoria a las condiciones nominales especificas.

• Representa el cabezal necesario para que el líquido fluya sin vaporización desdela entrada de la bomba a un punto en el ojo del impulsor donde las álabescomienzan a impartir energía al líquido.

• Es una característica individual de cada bomba y está determinada por la pruebadel suplidor, ya que es función del diseño del impulsor, cuerpo de la bomba y de lavelocidad empleada. VG/9-26

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• Se define como el margen entre la presión real al nivel de referencia de la bombay la presión de vapor a la temperatura de bombeo del líquido convertido a cabezaldel líquido bombeado.

• Resulta de las condiciones existentes en la fuente de dondeproviene el líquido yde los cambios de presión y temperatura a lo largo de la línea de succión.

• Es una función del sistema.

VG/9-27

RD NPSHNPSH ≥

γvaa

D

PP

g

vNPSH

−+=2

2

0=aZSi •a

Por tanto, se evita la Cavitación cuando:

• Aumentar la presión interna del tanque de suministro.

• Disminuir la temperatura del fluido en la línea de succión.

• Minimizar las pérdidas de energía por fricción en la succión.

• Disminuir la altura de succión.

• Seleccione la salida del recipiente de succión donde hay menor posibilidad dearrastre de vapor y coloque un rompe-vórtice en el recipiente.

•Use un tamaño de línea de succión sobredimensionado, para bajar la velocidad,(use velocidades recomendadas a la succión).

• Garantice que la bomba siempre esté cebada al momento de su puesta enoperación o funcionamiento.• Utilice las válvulas de retención para mantener cebada a labomba.• Si se presenta la cavitación se debe estrangular la válvulade descarga.

En práctica, raramente resulta económico aumentar la elevación del

recipiente de succión para lograr un NPSHD mayor a 25pie.

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