Instalaciones Industriales UNIDAD Nº I -CONDUCCION DE FLUIDOS SISTEMAS DE CONDUCCIÓN DE FLUIDOS

Instalaciones Industriales

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UNIDAD Nº I - CONDUCCION DE FLUIDOS

SISTEMAS DE CONDUCCIÓN DE FLUIDOS Se entiende por conducción de un fluido, al transporte de este de un punto a otro.

Este transporte puede ser realizado en conductos de tipo cerrado (tuberías), que se encuentran bajo presión (positiva ó negativa), ó en conductos abiertos (canales).

En este apunte nos centraremos específicamente en la conducción de fluidos líquidos (teóricamente incompresibles), mediante el uso de conductos cerrados a presión.

Dentro de las conducciones realizadas a presión, se pueden encontrar básicamente dos grandes grupos. Las conducciones realizadas por la presión hidrostática de un tanque elevado (sistema de distribución de agua en una población pequeña o en un barrio) y conducciones presurizadas por medio de una bomba. En este apunte analizaremos estas últimas, por ser las generalmente utilizadas en la industria.

Para poder realizar el mencionado transporte de un punto al otro, en general se deben de vencer ciertas “resistencias”, que implican consumo de energía. Entre los obstáculos más importantes que podemos mencionar se encuentran los siguientes:

• Altura geométrica: Esta puede ser un gasto o una fuente de energía,

dependiendo de si la diferencia es positiva o negativa. Esto significa que si debo “elevar” el fluido desde un punto inicial más bajo, hasta un punto final mas alto, habrá parte de la energía a proporcionar por la bomba que se empleará en superar esta diferencia de altura. Por el contrario, si el fluido debe descender, existirá parte de la energía necesaria para la conducción, que saldrá de la energía potencial que provee esta altura geométrica favorable.

• Perdidas por rozamiento en tuberías y accesorios: Estas “perdidas”, siempre tienen como resultado inmediato, el incrementar el gasto energético para realizar la conducción.

A continuación se describirá el proceso de cálculo de estas perdidas en tuberías y

accesorios, siendo esta, la base para poder desarrollar la estimación de potencia necesaria.

QUE SON LAS PERDIDAS DE CARGA PRIMARIAS Y SECUNDARIAS Las “perdidas primarias” son las perdidas de superficie en el contacto del fluido con la tubería (capa limite), rozamiento de unas capas de fluido con otras (régimen laminar), o de las partículas de fluido entre sí (régimen turbulento). Tienen lugar en flujo uniforme, por tanto principalmente en los tramos de tubería de sección constante. Las “perdidas secundarias” son las perdidas de forma, que tienen lugar en las transiciones (estrechamientos o expansiones de la corriente), codos (cambios de dirección), válvulas, y toda clase de accesorios de tubería. Si la conducción es larga, puede ser que las perdidas de forma sean despreciables en relación con las perdidas primaria, como ocurre por ejemplo en un oleoducto (varios Km. de extensión sin una gran cantidad de accesorios). En este caso, pueden llegar a estimarse las perdidas secundarias tomando entre un 5% y un 10% de las primarias.

Por el contrario si la conducción es corta y complicada, por ejemplo el sistema de alimentación de combustible de un avión (en donde las distancias son extremadamente cortas con una gran cantidad de accesorios y cambios de dirección y de diámetro), en este caso las perdidas secundarias son fundamentales y pueden llegar a ser despreciables las pérdidas primarias.

Ing. Matías Issouribehere

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PERDIDAS PRIMARIAS

En la tubería horizontal y de diámetro constante D, (figura 1) por la que circula un fluido cualquiera, con una velocidad media v. La energía en el punto 2 será igual a la energía en el punto 1, menos la energía consumida (pérdida de carga), entre estos mismos puntos.

Figura 1

Es decir se cumple la ecuación de Bernoulli con pérdidas, que expresada en

alturas equivalentes será:

En el caso particular del ejemplo tenemos que: Z1 = Z2 (tubería horizontal) y por otro lado V1 = V2 (sección transversal constante) Luego la ecuación anterior queda:

Donde Hrp1-2 son las perdidas primarias entre los puntos 1 y 2.

PERDIDAS PRIMARIAS Y SECUNDARIAS Consideremos el esquema de la figura 2, los tramos (a-b,d-e, f-g, h-i, j-k y l-m), son tramos rectos de tubería de sección constante. En todos ellos se originan perdidas primarias. En los restantes tramos se originan perdidas secundarias. Así por ejemplo F es un filtro, f-a es el desague de un deposito, b-c un codo, c-d un ensanchamiento brusco, e-f un codo, k-l un medidor de caudal etc. La ecuación de Bernoulli escrita entre los puntos 1 y 2 es la misma anterior pero el termino Hr1-2 engloba ahora ambos tipos de perdidas (primarias y secundarias).



En el caso particular del ejemplo: P1 = P2 = 0 (presión atmosférica) ; V1 = V2 = 0 (depósitos grandes, velocidad de descenso del agua en 1 y ascenso en 2 despreciables. Luego: Z1 – Z2 = Hr1-2 El termino Hr1-2 de la ecuación anterior se puede descomponer así:

Hr1-2 = Hrp1-2 + Hrs1-2

ECUACIÓN GENERAL DE LAS PERDIDAS PRIMARIAS – ECUACIÓN DE DARCY-WEISBACH En el año 1875 experimentos realizados con tuberías de agua, de diámetro constante, demostraron que la perdida de carga es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad media en la tubería, directamente proporcional a la longitud de la tubería e inversamente proporcional al diámetro de la misma. La formula fundamental que expresa lo antes dicho se conoce como ecuación de DARCY-WEISBACH. La ecuación fue inicialmente una variante de la ecuación de Prony, desarrollada por el francés Henry Darcy. En 1845 fue refinada por Julius Weisbach, de Sajonia, hasta la forma en que se conoce actualmente:

donde: hf = pérdida de carga debida a la fricción. f = factor de fricción de Darcy. L = longitud de la tubería. D = diámetro de la tubería. v = velocidad media del fluido. g = aceleración de la gravedad: g = 9,81 m/s2


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Dado que el caudal para tuberías redondas se puede expresar de la siguiente manera:

La ecuación de DARCY se puede expresar en función del diámetro como:

Inicialmente la dificultad de utilización de esta formula, radicaba en la complejidad para poder determinar el coeficiente adimensional. Esto llevo a que aparecieran otro tipo de formulas empíricas, que hacían mas fácil la determinación de los respectivos coeficientes de proporcionalidad. Muchas de estas formulas solo eran aplicable en determinadas condiciones de flujo, o con determinados materiales de tubos e incluso en algunos casos no tenían en cuenta la rugosidad de las paredes internas de la tubería.

Algunas de las formulas que podemos mencionar a modo ilustrativo son:

• MANNING (1890) Es aplicable mayormente para canales abiertos ó tuberías circulares de gran

diámetro. Uno de los grandes inconvenientes de la formula es que solo tiene en cuenta un coeficiente de rugosidad (n) obtenido empíricamente sin tener en cuenta las variaciones de viscosidad con la temperatura.

• HAZEN-WILLIAMS (1905)

Se utiliza solamente para agua a temperatura ambiente. Su cálculo es sencillo debido a que el coeficiente C no es función ni de la velocidad, ni del diámetro. Solo depende del tipo de material.

• SCIMENI (1925)

Se emplea solamente en tuberías de fibrocemento.

• SCOBEY (1931)

Se utiliza para tubos de aluminio, en zonas de flujo de transición hasta flujo turbulento. Es ideal para calcular sistemas de riego por aspersión.

DIAGRAMA DE MOODY (1944)

En el año 1939 COLEBROOK-WHITE agrupa una serie de ecuaciones anteriores (NIKURADSE de 1933 y PRANDL – VON KARMAN de 1930) para determinar el coeficiente f de la ecuación de DARCY. El problema de esta ecuación seguía siendo su complejidad y en que requería iteraciones.



En el año 1944 MOODY logro hacer una representación gráfica en escala doble logarítmica de la ecuación de COLEBROOK-WHITE en función del número de Reynolds y de la rugosidad relativa.

En el caso de flujo laminar, el factor de fricción depende únicamente del número de Reynolds. Existe una zona llamada de transición en donde el factor de fricción depende tanto del número de Reynolds como de la rugosidad relativa de la tubería, por eso en este caso se representa mediante una familia de curvas, una para cada valor del parámetro k / D, donde k es el valor de la rugosidad absoluta, es decir la longitud (habitualmente en milímetros) de la rugosidad directamente medible en la tubería. Al finalizar esta zona de transición, el régimen se vuelve completamente turbulento y las curvas mencionadas anteriormente toman una forma recta perfectamente horizontal. En esta zona turbulenta el factor de fricción solo depende de la rugosidad absoluta.

En la siguiente imagen se puede observar el aspecto del diagrama de MOODY.

Para poder determinar la rugosidad relativa de la tubería, debo conocer los valores típicos de rugosidad de los diferentes materiales de construcción. Algunos de estos valores los puedo obtener de la siguiente tabla:


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Dado que todos estos coeficientes son aproximados y que muchas veces se desconocen ciertos parámetros, sobre todo a la hora de proyectar una tubería, suele en ocasiones utilizarse un valor de coeficiente que oscile entre 0,02 y 0,03.

DIÁMETRO DE TUBERÍA MÁS ECONÓMICO Muchas veces se presenta el problema de fijar la perdida de carga Hr, por consideraciones económicas. En efecto, si se aumenta el diámetro D de la tubería, la pérdida de carga Hr disminuye. Económicamente hablando, un aumento de D supone un aumento del gasto inicial de instalación; pero al mismo tiempo una disminución de las perdidas de energía y por tanto una disminución en los gastos de funcionamiento. El diámetro más económico, será aquel que reduzca al mínimo la suma de costo de instalación de tubería (prorrateado a un año), y el valor anual de la energía consumida por rozamiento. Para una misma presión, el espesor de la pared de la tubería aumenta con el diámetro, de esto se deduce que el peso por metro de tubería instalada, es proporcional al cuadrado del diámetro. Por otra parte, las pérdidas de carga son inversamente proporcionales al diámetro a la quinta potencia, es decir que esto me indica cual es la curva de variación del costo de operación en función del diámetro.

De todo esto se deduce que el coste anualizado de la tubería se puede expresar como:

Derivando esta ecuación respecto del diámetro e igualando a cero, puedo obtener

el mínimo de esta función:

En el siguiente grafico se puede observar claramente el concepto de diámetro de

tubería más económico.



PÉRDIDAS DE CARGA SECUNDARIAS Como se mencionó en el principio del capítulo, las perdidas de carga secundarias también llamadas perdidas de forma, tienen lugar en todo cambio de un tramo recto de tubería. Así pues se puede hablar de pérdidas en ensanchamientos, estrechamientos, cambios de dirección, bifurcaciones, entrada y salida de recipientes, accesorios de toda índole, etc. En todos estos casos enumerados anteriormente se producen perturbaciones de la corriente que origina remolinos y desprendimientos, que intensifican las perdidas. Se admite generalmente que si la longitud de la tubería es mayor a 1000 diámetros, el error en que se incurre despreciando las perdidas secundarias es menor que el que se comete al estimar el coeficiente de la ecuación de DARCY. Las perdidas secundarias se pueden calcular por dos métodos diferentes:

• Primer método: Con una formula especial y un coeficiente de perdidas adimensional específico para cada accesorio.

• Segundo método: Llamado de las longitudes equivalentes, utiliza la misma formula de cálculo de las pérdidas primarias, y lo que agrega es una longitud extra (ficticia) de tubería, que genera las mismas pérdidas que los accesorios de la misma.

PRIMER MÉTODO – ECUACIÓN FUNDAMENTAL DE LAS PERDIDAS SECUNDARIAS

En donde el coeficiente ζ es la sumatoria de todos los coeficientes particulares de

cada accesorio existente en la tubería. Estos coeficientes dependen del tipo de accesorio, del número de Reynolds, de la

rugosidad y hasta de la configuración de la corriente antes del accesorio. En general antes y después del accesorio debe de haber una longitud de cañería

recta de al menos 4 diámetros para que los valores informados a continuación puedan aplicarse con precisión.

Para un Re de entre 1x105 y 2x105 el valor del coeficiente ζ no depende del número de Reynolds. En general los problemas reales más usuales (con fluidos de baja viscosidad como el agua ó el aire) toman valores dentro de este entorno. ALGUNOS COEFICIENTE PARTICULARES

• Salida brusca de un deposito

Los valores dependen de la longitud del trozo de tubería que penetra en el depósito y del espesor de la misma. Los valores se pueden obtener del grafico adjunto.


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• Salida suave de un deposito

En este caso la perdida es mucho menor (forma mas hidrodinámica, disminución o

anulación de la resistencia de forma). Los coeficientes se pueden obtener de la tabla siguiente en función del dibujo adjunto.

• Ensanchamientos bruscos o suaves La transición en un conducto de sección circular de un diámetro d a otro mayor D

puede hacerse de las dos maneras representadas en la figura siguiente de manera brusca, o a través de un difusor cónico representado con línea punteada.

La pérdida de carga en este caso se

calcula por la formula siguiente: Donde m se calcula como:

El valor del coeficiente m se obtiene de la tabla siguiente en función de la conicidad:



• Contracciones bruscas o suaves

Este es el caso opuesto al anterior los coeficientes se obtienen de la siguiente manera:

• Tes

Son de dos tipos de confluencia y de divergencia. Se deben de calcular por separado las perdidas para el caudal recto y para el caudal lateral. Después se suman ambas. Estas tes se consideran que poseen diámetros iguales en sus 3 extremos.

En la tabla siguiente se informa otra forma de determinar los coeficientes para tes en función de la configuración y forma:


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• Codos

En el codo de la figura siguiente se originan dos tipos de pérdidas:

1. Las producidas por la fuerza centrifuga que origina un flujo secundario que se superpone al flujo principal y que intensifica el rozamiento.

2. las producidas por la separación que se produce en las zonas r y s.

El flujo secundario se puede evitar casi por completo con alabes directrices con forma de perfil aerodinámico.

Esta es una solución extremadamente cara que solo se emplea en casos especiales.



• Válvulas

El coeficiente de una válvula depende del tipo de la misma (compuerta, mariposa, etc.) del diseño particular de cada tipo, y del grado de apertura dentro de cada válvula.

Así por ejemplo en la válvula macho de la figura siguiente el coeficiente puede ser casi despreciable para un angulo de 5º con un valor de 0,05 o ser un valor enorme para un angulo de 65º de 486. si no se disponen de datos precisos del fabricante o datos experimentales, pueden consultarse a modo orientativo los ejemplo que se detallaran en este capitulo.


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• Válvula de compuerta

• Válvula mariposa

• Válvula de retención a clapeta



• Válvula de pie para aspiración de bombas

• Otros tipos de válvulas de intersección

Segundo método – Longitud de cañería equivalente

En este segundo método, se consideran las pérdidas secundarias como longitudes equivalentes, esto significa que se adiciona una longitud en metros de tubería, de igual diámetro, que represente la misma perdida de carga que los accesorios.

Utilizando este método, existe una única ecuación para determinar la perdida de carga total de la tubería y es la que se indica a continuación:

En el grafico siguiente, que se denomina “Nomograma”, se pueden determinar las

longitudes equivalentes en función del diámetro y el tipo de accesorio. Existen infinidad de gráficos y ábacos similares a este.


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ELEMENTOS COMPONENTES DE TUBERIA



TUBOS Y CAÑOS Los tubos y caños son los elementos que me permiten realizar la conducción en si del fluido a presión. Los mismos pueden ser de sección circular (en su gran mayoría) o de sección rectangular o cuadrada para el caso de tuberías de ventilación y aire acondicionado. Los requisitos o características que debe cumplir una cañería (pipe) (su diámetro nominal es distinto de todas sus dimensiones físicas) o un tubo (tube) (su diámetro nominal coincide con su diámetro exterior) están determinados por su aplicación o uso. Los caños se utilizan para la conducción de fluidos, mientras que los tubos se utilizan para intercambiadores de calor, calderas, hornos, instrumentación (tubing), como elementos estructurales u otras aplicaciones especiales.

Los requisitos consisten fundamentalmente en reunir ciertas propiedades mecánicas y tener ciertas características de resistencia al medio al que serán expuestas, lo que está determinado, fundamentalmente, por el material, método de fabricación y tratamiento térmico de éste.

Con el fin de ordenar, uniformar y asegurar la calidad, se han establecido normas que, como las ASTM, se ocupan de estos aspectos.

Dado que no es económico imponer exigencias de fabricación que produzcan características no necesarias en una aplicación particular, no existe una norma única y se han desarrollado normas específicas para cada tipo de aplicación. De aquí que el número de normas ASTM existentes para cañerías y tubos es muy grande. NORMA ASTM

Ha organizado las múltiples normas en grupos separados. Todas aquellas que se refieren a metales ferrosos (hierro y aceros), llevan el prefijo A (ejemplo A312). Las que se refieren a metales no ferrosos, llevan el prefijo B (ejemplo B622). Aquellas que llevan una doble designación como A789/A789M-99, contemplan unidades de medidas tanto inglesas como métricas (los dígitos después del guión se refieren al año de publicación de la norma).

Hay normas que se refieren a requisitos generales que son necesarios en un gran número de normas específicas (Ejemplo A530: Requisitos generales para cañerías especializadas de aceros al carbono y aceros aleados) y hay otras que con especificas para un tipo de aplicación particular (Ejemplo A270: Especificaciones estándar para tubos con y sin costura de acero inoxidable austenítico de uso sanitario).

Hay dos normas generales para cañerías y para tubos, que son aplicables a una serie de normas particulares por lo que forman parte implícita de cada una de ellas:

• A530: Especificación estándar de los requisitos generales para cañerías

especializadas de aceros al carbono y aceros aleados.

• A450: Especificación estándar de los requisitos generales para tubos de aceros al carbono, aceros aleados ferríticos y aceros aleados austeníticos.

ELENCO COMPLETO DE NORMAS ASTM APLICABLE A TUBOS Y CAÑOS

A continuación se incluye un listado de los títulos originales de las normas ASTM para cañerías y tubos. El uso se desprende en algunos casos directamente del título y en otros es necesario ir al texto de la norma en la introducción en el primer punto llamado objetivo (Scope). Para los materiales no ferrosos hay normas diferentes para grupos de


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aleaciones diferentes, por lo que las normas con prefijo B son más numerosas que las con prefijo A.

A53/A53M-99b Standard Specification for Pipe, Steel, Black and Hot-Dipped, Zinc-Coated, Welded and Seamless A106-99e1 Standard Specification for Seamless Carbon Steel Pipe for High-Temperature Service A179/A179M-90a (96)e1 Standard Specification for Seamless Cold-Drawn Low-Carbon Steel Heat-Exchanger and Condenser Tubes A200-94 Standard Specification for Seamless Intermediate Alloy-Steel Still Tubes for Refinery Service A213/A213M-99a Standard Specification for Seamless Ferritic and Austenitic Alloy-Steel Boiler, Superheater, and Heat-Exchanger Tubes A214/A214M-96 Standard Specification for Electric-Resistance-Welded Carbon Steel Heat-Exchanger and Condenser Tubes A249/A249M-98e1 Standard Specification for Welded Austenitic Steel Boiler, Superheater, Heat-Exchanger, and CondenserTubes A268/A268M-96 Standard Specification for Seamless and Welded Ferritic and Martensitic Stainless Steel Tubing for General Service A269-98 Standard Specification for Seamless and Welded Austenitic Stainless Steel Tubing for General Service A270-98ae1 Standard Specification for Seamless and Welded Austenitic Stainless Steel Sanitary Tubing A271-96 Standard Specification for Seamless austenitic Chromium-Nickel Steel Still Tubes for Refinery Service A312/A312M-99 Standard Specification for Seamless and Welded Austenitic Stainless Steel Pipes A358/A358M-98 Standard Specification for Electric-Fusion-Welded Austenitic Chromium-Nickel Alloy Steel Pipe for High-Temperature Service A376/A376M-98 Standard Specification for Seamless Austenitic Steel Pipe for High-Temperature Central-Station Service A409/A409M-95ae1 Standard Specification for Welded Large Diameter Austenitic Steel Pipe for Corrosive or High-Temperature Service A498-98 Standard Specification for Seamless and Welded Carbon, Ferritic, and Austenitic Alloy Steel Heat-Exchanger Tubes with Integral Fins A511-96 Standard Specification for Seamless Stainless Steel Mechanical Tubing A554-98e1 Standard Specification for Welded Stainless Steel Mechanical Tubing A632-98 Standard Specification for Seamless and Welded Austenitic Stainless Steel Tubing (Small-Diameter) for General Service A688/A688M-98 Standard Specification for Welded Austenitic Stainless Steel Feedwater Heater Tubes A778-98 Standard Specification for Welded, Unannealed Austenitic Stainless Steel Tubular Products A789/A789M-99 Standard Specification for Seamless and Welded Ferritic/Austenitic Stainless Steel Tubing for General Service A790/A790M-99 Standard Specification for Seamless and Welded Ferritic/Austenitic Stainless Steel Pipe A803/A803M-98 Standard Specification for Welded Ferritic Stainless Steel Feedwater Heater Tubes A813/A813M-95e2 Standard Specification for Single- or Double-Welded Austenitic Stainless Steel Pipe A814/A814M-96(1998) Standard Specification for Cold-Worked Welded Austenitic Stainless Steel Pipe A851-96 Standard Specification for High-Frequency Induction Welded, Unannealed, Austenitic Steel Condenser Tubes A928/A928M-98 Standard Specification for Ferritic/Austenitic (Duplex) Stainless Steel Pipe Electric Fusion Welded with Addition of Filler Metal B163-98a Standard Specification for Seamless Nickel and Nickel Alloy Condenser and Heat-Exchanger Tubes B165-96 Standard Specification for Nickel-Copper Alloy (UNS N04400)* Seamless Pipe and Tube B167-98 Standard Specification for Nickel-Chromium-Iron Alloys (UNS N06600, N06601, N06603, N06690, N06025, and N06045)* Seamless Pipe and Tube B337-95 Standard Specification for Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Pipe B338-99 Standard Specification for Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Tubes for Condensers and Heat Exchangers B353-95 Standard Specification for Wrought Zirconium and Zirconium Alloy Seamless and Welded Tubes for Nuclear Service (Except Nuclear Fuel Cladding) B407-96 Standard Specification for Nickel-Iron-Chromium Alloy Seamless Pipe and Tube B423-99 Standard Specification for Nickel-Iron-Chromium-Molybdenum-Copper Alloy (UNS N08825 and N08221)* Seamless Pipe and Tube B444-94 Standard Specification for Nickel-Chromium-Molybdenum-Columbium Alloys (UNS N06625)* Pipe and Tube



B464-99 Standard Specification for Welded UNS N08020, N08024, and N08026 Alloy Pipe B468-99 Standard Specification for Welded UNS N08020, N08024, and N08026 Alloy Tubes B474-99 Standard Specification for Electric Fusion Welded UNS N08020, UNS N08026, and UNS N08024 Nickel Alloy Pipe B514-95 Standard Specification for Welded Nickel-Iron-Chromium Alloy Pipe B515-95 Standard Specification for Welded UNS N08120, UNS N08800, UNS N08810, and UNS N08811 Alloy Tubes B516-98 Standard Specification for Welded Nickel-Chromium-Iron Alloy (UNS N06600, UNS N06603, UNS N06025, and UNS N06045 Tubes B517-98 Standard Specification for Welded Nickel-Chromium-Iron-Alloy (UNS N06600, UNS N06603, UNS N06025, and UNS N06045) Pipe B521-98 Standard Specification for Tantalum and Tantalum Alloy Seamless and Welded Tubes B523/B523M-97 Standard Specification for Seamless and Welded Zirconium and Zirconium Alloy Tubes B535-99 Standard Specification for Nickel-Iron-Chromium-Silicon Alloys (UNS N08330 and N08332) Seamless Pipe and Tube B546-98 Standard Specification for Electric Fusion-Welded Ni-Cr-Co-Mo Alloy (UNS N06617), Ni-Fe-Cr-Si Alloys (UNS N08330 and UNS N08332),Ni-Cr-Fe-Al Alloy (UNS N06603), Ni-Cr-Fe Alloy (UNS N06025), and Ni-Cr-Fe-Si Alloy (UNS N06045) Pipe B619-98 Standard Specification for Welded Nickel and Nickel-Cobalt Alloy Pipe B622-98a Standard Specification for seamless Nickel and Nickel-Cobalt Alloy Pipe and Tube B626-98 Standard Specification for Welded Nickel and Nickel-Cobalt Alloy Tube B658/B658M-97 Standard Specification for Seamless and Welded Zirconium and Zirconium Alloy Pipe B673-96 Standard Specification for UNS N08904, UNS N08925, and UNS N08926 Welded Pipe B674-96 Standard Specification for UNS N08904, UNS N08925, and UNS N08926 Welded Tube B675-96e1 Standard Specification for UNS N08367 Welded Pipe B676-97 Standard Specification for UNS N08367 Welded Tube B677-99 Standard Specification for UNS N08904, UNS N08925, and UNS N08926 Seamless Pipe and Tube B690-96 Standard Specification for Iron-Nickel-Chromium-Molybdenum Alloys (UNS N08366 and UNS N08367) Seamless Pipe and Tube B704-96 Standard Specification for Welded UNS N06625 and UNS N08825 Alloy Tubes B705-99 Standard Specification for Nickel-Alloy (UNS N06625 and N08825) Welded Pipe B710-99 Standard Specification for Nickel-Iron-Chromium-Silicon Alloy Welded Pipe B722-95 Standard Specification for Nickel-Chromium-Molybdenum-Cobalt-Tungsten-Iron-Silicon Alloy (UNS N06333) Seamless Pipe and Tube B723-95 Standard Specification for Nickel-Chromium-Molybdenum-Cobalt-Tungsten-Iron-Silicon Alloy (UNS N06333) Welded Pipe B725-93 Standard Specification for Welded Nickel (UNS N02200/UNS N02201) and Nickel Copper Alloy (UNS N04400) Pipe B729-99 Standard Specification for Seamless UNS N08020, UNS N08026, and UNS N08024 Nickel-Alloy Pipe and Tube B730-93 Standard Specification for Welded Nickel (UNS N02200/UNS N02201) and Nickel Copper Alloy (UNS N04400) Tube B739-98 Standard Specification for Nickel-Iron-Chromium-Silicon Alloy Welded Tube B751-99 Standard Specification for General Requirements for Nickel and Nickel Alloy Welded Tube B775-99 Standard Specification for General Requirements for Nickel and Nickel Alloy Welded Pipe B804-96 Standard Specification for UNS N08367 and UNS N08926 Welded Pipe B829-99 Standard Specification for General Requirements for Nickel and Nickel Alloys Seamless Pipe and Tube B861-99 Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Seamless Pipe B862-99 Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Welded Pipe B891-98e1 Standard Specification for Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Condenser and Heat Exchanger


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CAÑOS

Cañería es aquel ducto destinado a la conducción de fluidos, sean estos gases, líquidos, sólidos o pulpas.

En nuestro medio distinguimos una cañería (pipe) de un tubo (tube) fundamentalmente por sus medidas. La cañería tiene un diámetro nominal que no corresponde ni al diámetro externo ni al interno. En cambio, el tubo tiene un diámetro nominal que coincide con el diámetro real externo. Hay también diferencias de espesor de pared. La cañería esta destinada a aplicaciones a mayor presión, tiende a ser más gruesa que el tubo.


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Es tal la diversidad de usos de las cañerías, que se fabrican con una diversidad de

materiales, usando diferentes métodos de fabricación. Son sometidas a diferentes tratamientos térmicos, una vez terminadas, para lograr características adecuadas, de resistencia mecánica y resistencia a la corrosión, de ser éstas propiedades requeridas por la aplicación. También son sometidas a diferentes ensayos para asegurar su calidad.

De todos estos aspectos, se encargan las normas de fabricación y de medidas, que existen en gran número y han sido estudiadas y escritas por diferentes instituciones, tales como ASTM (American Society for Testing and Materials), API (American Petroleum Institute), DIN (Deutsches Institut für Normung), ANSl (American National Standards Institut). En el caso particular de caños metálicos, estos pueden ser construidos con o sin costura. CLASIFICACIÓN SEGÚN SU TAMAÑO

Según el diámetro las tuberías se pueden clasificar en diámetros estándares los cuales han sido normalizados por el Código ASME con su Normas: ASME B.36.10/ API 5L, en la cual muestran los tamaños estándar de las tuberías de acero al carbono.

Esta norma hace referencia al tamaño, materiales, espesor de pared, pesos, variaciones permisibles, designación de espesor de pared de tubería y la selección del espesor de pared. Las cuales se ven reflejadas en su tabla para cada tamaño de tubería.

La tabla clasifica según el diámetro*, espesor de pared, peso.



* NPS (Nominal Pipe Size) es la dimensión designada en pulgadas, que describe el tamaño nominal de la tubería DN (Nominal Diameter) es la designación en milímetros, que describe el tamaño nominal de la tubería IPS “Iron Pipe Size” ha sido reemplazado por el término NPS

Los diámetro nominales estandarizados según esta norma son: 1/8”, ¼”, 3/8”, ½”,

¾”, 1”, 1 ¼”, 1 ½”, 2, 2 ½”, 3”, 3 ½”, 4”, 5”, 6”, 8”, 10”, 12”, 14”, 16”, 18”, 20”, 22”, 24”, 26”, 30” y 36”.

Los diámetros: 1 ¼”, 2 ½”, 3 ½” y 5”, a pesar que se encuentra en las tablas son poco usado y estos deben ser evitados, en los proyectos.

Para tubos de acero inoxidable las tuberías están de acuerdo con la norma ASME B 36.19

En tubería de diámetros desde 1/8” a 12” el diámetro nominal (NPS/ DN) no corresponde a ninguna dimensión física de la tubería. En Tubería desde 14” a 36” el diámetro nominal coincide con el diámetro externo de la tubería. CLASIFICACIÓN SEGÚN ESPESOR DE PARED (TAMAÑO)

Para cada diámetro nominal se han fabricado tuberías con diferentes espesores de pared (series, Schedule).

El diámetro exterior para todos los diámetros de cada serie de espesores es el mismo.


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Sección Transversal para la tubería de 1/8” diámetro nominal

En la figura anterior se muestra toda la serie de espesores normalizado por la

ASME B 36.10 para el diámetro nominal de 1/8” (esto para apreciar la diferencia entre los cuatro diferentes espesores. El diámetro exterior es invariable.

La identificación se refiere también a los espesores, la ASME B 36.10, anteriormente clasificaba en tres diferentes espesores conocidos como:

Peso Normal - Estándar - Std Extrafuerte - Extra Strong - XS

Doble Extrafuerte - Double extra strong – XXS

Estas designaciones a pesar de ser obsoletas, continua siendo usada en algunos usos de la industria.

La norma ASME B 36.10, muestra varios espesores de pared para cada diámetro nominal estas son denominadas “Series” o “Schedule” o “Catálogo” o “SCH” o cédula. Este número es determinado por la siguiente relación (aproximadamente).

Serie = Número de SCH = P/S x 1000

Donde: P = Presión de trabajo interna (operación), PSIG S = Esfuerzo admisible para el material del tubo, basado en una temperatura comprendida entre -290 y 650ºC, PSIG. Factor 1000; tiene por objeto permitir utilizar números enteros, por ejemplo 0.04 se convierte en SCH 40 CLASIFICACIÓN SEGÚN LOS EXTREMOS DE LA TUBERÍA

Las tuberías metálicas de acero pueden tener deferentes acabados en los extremos de las tuberías, como se muestra en la siguiente figura.

Los extremos lisos son usualmente encontrados en tuberías de 2” de diámetro y menores, son llamados extremos PE del término en ingles: Plain end. Estos son cortados a 90°, perpendicular al diámetro externo de la tubería.

El extremo chaflanado deberá estar de acuerdo al procedimiento de soldadura para juntas soldadas a tope, y este hace referencia a códigos de construcción.



Los extremos roscados, estas son elaboradas según la norma ANSI B1.20.1 (que reemplaza a la norma ASME B2.1) para la rosca NPT y la rosca Withworth de acuerdo a las normas ISO R-7 y DIN 259. Los extremos roscados por lo general son menores a 2” de diámetro, son llamados extremos TE del término en ingles: threaded end.

PROCESO DE FABRICACIÓN DE CAÑOS CON COSTURA

La cañería con costura (soldada), se fabrica a partir de laminas angostas (flejes), en un proceso continuo. El fleje es empujado longitudinalmente por una serie de rodillos laterales que lo van doblando gradualmente, hasta tomar la forma cilíndrica en que los bordes del fleje quedan topándose. Estos bordes de tope, se unen mediante un proceso de soldadura continua, cuya calidad es controlada simultáneamente.

La soldadura puede ser autógena o con aporte de material. En el primer caso se puede recurrir a una soldadura por resistencia eléctrica ERW o a una soldadura por corriente inducida por alta frecuencia HFI. En el segundo caso se recurre a una soldadura por arco sumergido SAW, la que es especialmente apta para espesores mayores de pared.

La cañería ya soldada es sometida a una eliminación del exceso de soldadura por el exterior e interior.

A veces el cordón de soldadura es forjado en frío para lograr una estructura cristalina y propiedades similares al resto de la cañería.

Luego se corta a la medida. Opcionalmente, la cañería puede ser sometida a tratamiento térmico, decapado y acabado de superficie.


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PROCESO DE FABRICACIÓN DE CAÑOS SIN COSTURA

La cañería sin costura es fabricada por procedimientos totalmente diferentes. Básicamente se comienza por fabricar un cuerpo cilíndrico hueco mediante la acción de un mandril sobre una porción cilíndrica del acero (billet) previamente calentado al rojo, alojada dentro de un molde, hasta perforarlo (pierce).

Luego este cuerpo hueco, siempre al rojo, es estirado (draw) empujándolo y con un

mandril en su interior, a través de un orificio de menor diámetro. Alternativamente puede ser sometido a la acción exterior, en caliente, de rodillos rotantes excéntricos que reducen



el diámetro de la cañería que avanza y que rota sobre su eje, mientras que en su interior se mantiene un mandril para ajustar el diámetro interno (pilgering).

Para ciertos casos se opta por procesos de estirado o de pilgering en frío, los que

conducen a obtener un mejor acabado de la superficie y una mayor precisión de las medidas y propiedades mecánicas mejores. Es necesario incluir etapas de enderezado para asegurar la linealidad de la cañería.

Luego se corta a la dimensión deseada. Opcionalmente se incluyen etapas de tratamiento térmico y de decapado.

También puede usarse un proceso de extrusión en caliente, este procedimiento es particularmente adaptado para tuberías de pared gruesa, diámetros pequeños (menores a 80 mm) y aleaciones difíciles de perforar, este método dura unos pocos segundos utilizando una poderosa prensa (de hasta 1500 toneladas). Es usado para tubería de diferentes materiales.

De la figura anterior, el tocho caliente (aproximadamente 1200 ºC) (tarugo

cilíndrico macizo) se encuentra en estado pastoso es colocado en un recipiente cilíndrico recubierto con vidrio fundido, como lubrificante antes de entrar en el extrusor. El diámetro del vástago (émbolo) tiene un diámetro igual al recipiente cilíndrico (tocho caliente). Un mandril (color rojo) que es accionado por la prensa perfora completamente el tocho por la parte central

Otro modo de fabricar tuberías sin costura es utilizando la fundición. Por este método se fabrican las tuberías de: hierro fundido, aceros especiales que son difíciles de forjar y la mayoría de los materiales no metálicos, tales como el concreto, cerámicos, etc.


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El método de fundición de tuberías por lo general se realiza con centrifugación que va desde el estado líquido hasta que este solidifique.

TRATAMIENTO TÉRMICO

Cuando el proceso de fabricación involucra un calentamiento del material a temperaturas altas, ya sea el total de la pieza (cañerías sin costura) o en zonas localizadas (cañería con costura), se produce un cambio estructural del metal que modifica tanto sus propiedades mecánicas como sus propiedades de resistencia a la corrosión.

La norma específica de una cañería, diseñada para una aplicación particular, se ocupa de este especto, especificando el tratamiento térmico necesario según el material.

En general el tratamiento térmico combina a lo menos, las etapas de:

1. Calentamiento 2. Permanencia de la pieza a una temperatura 3. Enfriamiento.

Dependiendo de la finalidad del tratamiento térmico varían tanto las temperaturas recomendadas para cada etapa como la duración de cada etapa y muy importante en la etapa de enfriamiento, la velocidad de enfriamiento.

Los tipos de tratamientos pueden ser entre otros:

1. Recocido a disolución (solution annealing) 2. Revenido (tempering) 3. Normalizado (normalizing) 4. Templado (quenching) 5. Aliviado de tensiones (stress relieving)



6. Envejecido (ageing)

PRUEBAS MECÁNICAS Entre las pruebas que pueden realizarse podemos mencionar las siguientes:

1. Prueba de tracción (determina el limite elástico) 2. Prueba de flexión (determina el grado de ductilidad frente al curvado) 3. Prueba de dureza (determina la resistencia del material a ser penetrado) 4. Prueba de impacto (Charpy) 5. Prueba de manipulación (Plegado, aplastado, pestañado, etc.) 6. Prueba hidráulica (ensayo con presión interna de agua)

RESUMEN

En resumen los parámetros que definen a un tubo ó caño de conducción son:

1. El material de construcción (En función de la compatibilidad química entre el

fluido y el tubo, y en función de las necesidades de tipo mecánicas de la aplicación)

2. El diámetro nominal (Básicamente está determinado por el caudal que necesitamos transportar.)

3. El espesor (Esta directamente relacionado con la presión a la que estará sometido el tubo o caño de conducción.)

4. El tipo de construcción (Depende principalmente de la aplicación) 5. La Norma de construcción (Esto me determina todos los parámetros

anteriores. Si no defino bajo que norma voy a seleccionar los tubos o caños, no puedo definir ninguna otra variable.)

CONEXIONES En todo sistema de conducción, debo de unir tramos de tubos o caños por razones diversas:

1. Por que los tramos para unir dos puntos son más extensos que el largo estándar comercial de los tubos (que generalmente son de 6 o 12 metros).

2. Porque debo realizar un cambio de dirección. 3. Porque debo de colocar algún accesorio. 4. Porque debo conectar el extremo del tubo a un recipiente. 5. Porque debo conectar el extremo de caño a la bomba.

En cada uno de los casos mencionados anteriormente, existen necesidades de

conexión, pero requieren diferentes soluciones en cada caso.

UNIONES PERMANENTES

En el primero de los casos y eventualmente en el segundo y cuarto es posible utilizar un tipo de unión que denominaremos permanente, dado que no es posible (desunirla una vez realizada). Esta unión “permanente” es la soldadura.

Existen muchos métodos de soldadura, que varían según el tipo de material de construcción de los tubos y de las exigencias de aquella para con la aplicación.


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Como cosa común a todas las soldaduras, la característica de permanente es

claramente visible no necesitando mayor explicación. En la imagen siguiente se muestra el corte de un cordón soldado con sus partes

características.

SOLDADURA ELÉCTRICA MANUAL CON ELECTRODOS RECUBIERTOS (SMAW) De los procesos de soldadura con aporte de material, es el más antiguo y primitivo. Las siglas con que se denomina a este proceso significan “Shielded Metal Arc Welding”.

Es completamente manual, es decir el aporte de material y el avance de la pinza porta electrodos lo realiza el operador, sin asistencia de ningún tipo por parte de la máquina.

Los resultados son buenos pero los rendimientos y posibilidades de fallas dependen exclusivamente de la pericia del soldador. Dado que no requiere el uso de gases comprimidos (tubos complicados de transportar y manipular) y que los electrodos son pequeños (no requiere carretes ni motores especiales) y que el costo es muy bajo, es la soldadura mas versátil con que puede contar un pequeño taller.

El proceso en si, consiste en colocar las piezas a soldar conectadas a uno de los polos de un circuito eléctrico de baja tensión y alta corriente, en el otro polo hay una pinza que posee un electrodo de alambre con un recubrimiento especial que mejora las cualidades del cordón soldado. Al aproximar la punta del electrodo a las piezas a soldar se cierra el circuito eléctrico mediante el encendido de un arco eléctrico, que la máquina esta en condiciones de controlar y mantener de manera estable. Este arco eléctrico genera la temperatura necesaria para fundir el alma de alambre del electrodo, su recubrimiento y el material base a soldar. Las gotas de metal derretido son transferidas a través del arco y son convertidas en un cordón de soldadura, un escudo protector de gases es producido de la descomposición del material fundente que cubre el electrodo, además, el fundente también puede proveer algunos complementos a la aleación, la escoria derretida se escurre sobre el cordón de soldadura donde protege el metal soldado aislándolo de la atmósfera durante la solidificación, esta escoria también ayuda a darle forma al cordón de soldadura especialmente en soldadura vertical y sobre cabeza. La escoria debe ser removida después de cada procedimiento. Los electrodos están recubiertos con un material fundente que crea una atmósfera protectora que evita la oxidación del metal fundido y favorece la operación de soldeo. El electrodo recubierto utilizado en la soldadura por arco fue inventado por Oscar Kjellberg.



Las labores más ligeras son efectuadas usando potencia AC por el bajo costo de los transformadores que la producen, el trabajo de alta producción industrial usualmente requiere de fuentes DC más poderosas y grandes rectificadores, para darle la polaridad exacta al proceso. A pesar de lo relativamente lento del proceso, por el recambio de electrodos y la remoción de la escoria, se mantiene como una de las técnicas más flexibles y sus ventajas en áreas de acceso restringido son notables.

La polaridad de la corriente eléctrica afecta la transferencia de calor a las piezas unidas. Normalmente el polo positivo (+) se conecta al electrodo aunque, para soldar materiales muy delgados, se conecta al electrodo el polo negativo (-) de una fuente de corriente continua.

La posición más favorable para la soldadura es el plano (bajo mano) pero se pueden realizar en cualquier posición.

EL EQUIPO TÍPICO DE LA SOLDADURA CON ELECTRODO REVESTIDO

NORMAS DE SEGURIDAD

Al realizar este tipo de trabajos hay que tener en cuenta que las radiaciones que se generan en el arco eléctrico (luminosas, ultravioletas e infrarrojas) puede producir daños irreversibles en la retina, si se fija la vista directamente sobre el punto de soldadura, además de quemaduras en la piel.


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Para la protección ocular, existen pantallas con cristales especiales, denominados

cristales inactínicos, que presentan diferentes niveles de retención de las radiaciones nocivas en función del amperaje utilizado, siendo de este modo totalmente segura la actividad.

Se clasifican por tonos, se tintan de tono verde o azul y están clasificados según diferentes normas. SOLDADURA EN GAS INERTE Y ELECTRODO NO CONSUMIBLE GTAW (GAS TUNGSTEN ARC WELDING) El procedimiento de soldadura, por arco bajo gas protector con electrodo no consumible, también llamado TIG (Tungsten Inert Gas), utiliza como fuente de energía el arco eléctrico que se produce entre un electrodo no consumible y la pieza a soldar, mientras un gas inerte protege el baño de fusión. El material de aportación, cuando es necesario, se aplica a través de varillas como en la soldadura oxiacetilénica.

En la siguiente figura se muestran los elementos más importantes que intervienen en el proceso:

Algunas de sus principales características son:

1. Se puede automatizar el proceso para algunas fabricaciones en serie. 2. Su aplicación manual exige una gran habilidad por parte del soldador. 3. Puede emplearse en todo tipo de uniones o posiciones y en los materiales más

diversos: aceros al carbono, inoxidables, metales no férreos, etc.

Las soldaduras por sistema TIG son más resistentes, dúctiles y seguras contra la corrosión que las realizadas por otros métodos que emplean decapantes o que producen escorias. Todo el proceso se realiza sin proyecciones, chispas, escoria o humos. Puede emplearse para soldar prácticamente todos los metales que se utilizan en la industria:

1. Todos los metales ligeros: aluminio, magnesio y sus aleaciones,... 2. Todos los aceros inoxidables (cromo, níquel,... y sus aleaciones). 3. Cobre y sus aleaciones. (siempre y cuando el contenido de 4. Plomo.



5. Plata y oro. 6. Materiales raros. (titanio, hastelloy, etc.) 7. Fundiciones. 8. Aceros al carbono. 9. Metales diferentes entre si y recargues.

A continuación se adjunta una tabla de referencia de la posibilidad de realizar soldaduras con materiales metálicos disímiles.

SOLDADURA SEMIAUTOMÁTICA MIG/MAG (METAL INERT GAS / METAL ACTIVE GAS) GMAW En esta soldadura, en atmósfera protectora, con electrodo continuo, se establece un arco eléctrico entre la pieza a soldar y un alambre desnudo, consumible, que se alimenta en forma continua al lugar de soldadura. El calor del arco, funde simultáneamente el metal de base y el alambre (electrodo), dando lugar al cordón de soldadura.

La protección del arco eléctrico en el baño de soldadura se logra mediante una corriente de gas que puede ser inerte o activo.

Son gases inertes aquellos que carecen de actividad química aún a la temperatura del arco y son activos aquellos que por acción de la energía del arco pueden disociarse y dar lugar a productos de gran reactividad. Algunas de sus principales ventajas son:

1. Alta velocidad de depósito de metal. 2. Posibilidad de soldar en toda posición. 3. Carencia de escoria.


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4. Alta velocidad de soldadura. 5. Ahorro de material consumible si se lo compara con la soldadura SMAW. 6. Calidad radiográfica de las juntas. 7. Disminución de las deformaciones.

El siguiente es el esquema básico del proceso descrito.

UNIONES DESARMABLES

Toda unión que pueda ser revertida es decir “desarmada” en función de las necesidades de mantenimiento o limpieza e inclusive en función de las necesidades de instalación es aplicable a cualquiera de los cinco casos mencionados anteriormente.

Existen principalmente tres tipos de uniones desarmables que son las Roscas, las Bridas y las uniones “CLAMP”. Si bien existen otro tipo de uniones desarmables especiales, las tres mencionadas cubren prácticamente la mayor parte de las uniones desarmables. CONEXIONES ROSCADAS Las uniones roscadas se basan en una hélice cilíndrica ó cónica cuya sección (filete) posee una forma: Cuadrada, triangular, trapezoidal o redonda que se talla tanto en el eje (macho), como en el orificio (hembra) de las dos piezas que se quieren unir. ELEMENTOS DE LAS ROSCAS

Los elementos básicos de una rosca son el diámetro exterior, el diámetro interior, el

paso, el tipo de filete, el sentido de avance, la cantidad de entradas y el ajuste.



ROSCAS CILÍNDRICAS Y ROSCAS CÓNICAS Las roscas cilíndricas, son aquellas cuyo diámetro exterior es constante a lo largo de toda la rosca. Cuando se utilizan este tipo de roscas en accesorios ó válvulas, el sellado del fluido (para evitar perdidas por la unión), se realiza por la cara frontal del macho contra la cara interior (fondo) de la rosca hembra, interponiendo una arandela de metal dúctil (aluminio o cobre recocido). En tuberías no es utilizado este tipo de roscas, dado que no existe un espesor de pared para poder realizarlo. Las roscas cónicas, son aquellas que poseen la rosca tallada sobre un eje o agujero de forma cónica y por ende el sellado se realiza cuando por interferencia de ambas conicidades, se encuentran simultáneamente todos los flancos de los filetes y producen el cierre estanco al deformarse elastoplasticamente los mismos.


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PASO El paso de una rosca, es la distancia (en la dirección del eje) que avanza una pieza respecto de la otra, en un giro completo. Existen dos tipos de roscas, con medidas inglesas (pulgadas) y con medidas métricas (sistema internacional). El paso en las primeras está expresado como la cantidad de hilos que entran en una pulgada. En el segundo caso los pasos se expresan en milímetros. A modo de ejemplo podemos decir: Caso 1: ½” NPT 14 H.P.P. (es una rosca de ½” de diámetro nominal según norma National pipe taper con un paso de 14 hilos a lo largo de una distancia de 1 pulgada.) Caso 2: M20 x 100 x 1,5 (es una rosca de 20 mm de diámetro nominal según norma métrica de 100 mm de longitud y un paso de 1,5 mm.) ROSCAS DE TUBOS Las roscas de tubo más usuales son casi con exclusividad de tipo cónicas según normas de la British estándar BS también llamada en la jerga rosca GAS con su denominación específica rosca BSPT y norma americanas National pipe taper con su denominación NPT. CONEXIONES CLAMP Son un tipo de conexiones de acople rápido, sumamente limpias utilizadas mayormente en instalaciones sanitarias (Industrias alimenticias y farmacopea principalmente). Poseen unos extremos con un alojamiento para una guarnición de un material elástico de goma o similar y una abrazadera de ajuste.



Son conexiones que no admiten valores muy altos de presión. En las mejores

condiciones con unas abrazaderas especiales de alta presión podemos hablar de valores del orden de los 60 bar. Como valores normales este tipo de conexiones no superan los 16 a 20 bar.

Las mayores ventajas de este tipo de conexiones es que no presentan zonas de difícil limpieza, el desmontaje y posterior reensamblaje es sumamente veloz, lo que las hace inmejorables en condiciones de exigencias sanitarias.

CONEXIONES BRIDADAS Las bridas consisten en unos discos que posen un orificio central por donde circula el fluido en los caños, válvulas o accesorios y poseen en la periferia una serie de agujeros que permiten el pasaje de espárragos o bulones para realizar la fijación entre dos bridas enfrentadas. Para realizar el sellado se colocan juntas que aseguran la hermeticidad del conjunto.

Es un elemento que puede proveerse como una parte separada o como una pieza

que viene unida, desde fábrica, a un elemento como una válvula, una bomba u otra pieza.


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Existe una gran diversidad de diseños, dimensiones, materiales y normas en

relación a las bridas. Respecto a las formas, podemos mencionar:

1. Welding Neck (con cuello para soldar de tope) 2. Slip-On (deslizable) 3. Lap-Joint (de traslape) 4. Ring-Joint (con o’ring) 5. Threaded (con orificio roscado) 6. Socket Weld (con enchufe para soldar) 7. Blind (ciega)

Las normas de bridas han sido estudiadas y publicadas por diversas instituciones

como ASTM (en lo referente a fabricación y materiales), ASME/ANSI (en lo referente a medidas, tolerancias y presiones de trabajo), MSS (en lo referente a medidas) y otras como API (para aplicaciones en industria de petróleo), AWWA (para líneas de cañerías de agua potable), DIN (normas alemanas para dimensiones, fabricación y materiales).

En nuestro país están muy difundidas las normas americanas ASTM y ASME/ANSI.

Las bridas pueden ser forjadas, fundidas o mecanizadas a partir de chapas o barras (solo para bridas ciegas).

Las bridas forjadas se fabrican según norma ASTM A182 (aceros aleados, aceros inoxidables), ASTM A105 (acero carbono), ASTM A350 (acero carbono y aceros aleados para baja temperatura), ASTM A694 (acero carbono y aceros aleados para líneas de transmisión), ASTM A707 (acero carbono y aceros aleados para oleoductos a bajas temperaturas), ASTM B564 (Alloy400, alloy600, alloy625) y otras según el material específico. Las bridas fundidas se fabrican según norma ASTM A351 (aceros inoxidables auteníticos y aceros dúplex), ASTM A352 (aceros aleados ferríticos y martensíticos) y otras.

Las bridas mecanizadas (sólo las ciegas) se fabrican de chapas o barras según norma ASTM A36 (acero carbono), ASTM A240 (aceros inoxidables austeníticos, ferríticos, martensíticos y duplex). WELDING NECK

El cuello cónico proporciona un refuerzo beneficioso bajo condiciones de esfuerzos laterales originados por las dilataciones y contracciones propias de una línea de cañerías.

La unión brida-cañería es tan resistente como una unión por soldadura de tope entre dos cañerías. Uso: Es recomendable para usos a alta presión, baja o alta temperatura, alta carga y el transporte de líquidos inflamables o de alto costo en que las fugas deben mantenerse a un mínimo.



SLIP-ON Es la brida de mayor uso por su bajo costo inicial, no requerir un corte muy exacto en la longitud de las cañerías y la gran facilidad para alinear las líneas. Un cálculo teórico indica una resistencia mecánica, al trabajar bajo presión, de 2/3 y bajo condiciones de fatiga, de sólo 1/3 respecto a una brida welding-neck. Por esta razón su uso se limita a diámetros de cañería desde 1/2’’ hasta 2 1/2’’ en clase 1500 ANSI.

LAP-JOINT

Se usan junto con los terminales Stub-end soldados al extremo de una cañería. Su costo inicial es 1/3 mayor respecto al de la brida welding-neck. Su resistencia bajo presión es similar a la del brida slip-on pero bajo condiciones de fatiga es sólo 1/10. Son convenientes en sistemas que requieren un desmantelamiento frecuente para una inspección, por su facilidad de ser desplazables. Uso: El poder alinear los pernos de sujeción con gran facilidad, los hace atractivos para unir cañerías de gran diámetro o cañerías especialmente rígidas. No son recomendables en puntos sujetos a constantes flexiones. Otra ventaja, es la reducción de costos en la brida, cuando se deben de conducir líquidos corrosivos o peligrosos, en donde solo el stub end está en contacto con el fluido. Esto último permite usar bridas de acero al carbono, mientras que el stub end puede ser de acero inoxidable o cualquier otro material que sea apto para esa aplicación.


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THREADED

Su principal mérito está en poder ensamblar una línea sin soldar. Se usan en líneas de alta presión a temperatura ambiente y en puntos donde no es posible un tratamiento térmico después de soldar. No son apropiados para aplicaciones a alta temperatura o condiciones de flexión lateral, especialmente cíclicas, donde conducirían a fugas por la rosca, después de unos pocos ciclos de expansión-contracción.

SOCKET-WELD

Usados en cañerías de diámetros pequeños y aplicaciones de alta presión. Su costo inicial es un 10% superior al slip-on. Si se ensambla con soldadura interior, su resistencia estática es igual a la del brida slip-on con doble soldadura, pero bajo condiciones de fatiga es 50% superior. Puede rebajarse el cordón de soldadura interior para tener un orificio liso, a diferencia de la brida slip-on que después de soldar exige repasar la cara de la brida para asegurar un buen sello. Es muy utilizada en la industria química.



BLIND

Usadas para cerrar un extremo de una línea de cañerías, válvulas u otro equipo. Están sujetos a una tensión muy superior a la de los otros tipos de bridas. Es un esfuerzo de flexión en el centro de la brida, que puede ser tolerado sin peligro.

TIPOS DE CARAS Y UNIONES

Existen diferentes tipos de caras de bridas que, a través de una junta, permiten obtener un sello hermético en cada unión. Estas son: a) Cara plana (flat face) Es una variante de la cara con resalte ya que muchas veces se logra desbastando 1/16’’ de un brida con resalte en las clase 150 y clase 300.


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Se usa principalmente para acoplarse a válvulas y fittings de hierro fundido clase 125 y clase 250. Una cara plana permite usar una junta con diámetro exterior igual al del brida o tangente a los agujeros para los pernos. Esto evita fracturas, durante el apriete, de la brida de hierro fundido más frágil. Ambas bridas en una unión son iguales. b) Cara con resalte (raised face) Es el tipo más común. El resalte es de 1/16’’ para la clase 150 y clase 300 y de 1/4’’ para las demás. La cara se termina con surcos concéntricos o en espiral, para una mejor adherencia con la junta.

Se instalan usualmente con juntas planas de compuestos blandos. Para usar empaquetaduras metálicas, la cara del resalte debe ser lisa. Ambos bridas en una unión son iguales.

c) Unión con solapa (lap-joint)

La cara de la brida no sella contra la junta sino que es la cara del stub-end la que

entra en contacto y sella contra la empaquetadura. Ambas bridas en una unión son iguales.

d) Unión Ring-joint (o-ring)



Es la más costosa pero también la más eficiente. El sello se realiza por contacto de las paredes de un surco de fondo plano, con el anillo (o-ring) contenido en éste. La presión contribuye a aumentar el sello. Ambos bridas en una unión son iguales.

e) Unión macho-hembra

Se utilizan dos bridas diferentes en una unión: macho con un realce de 1/4 ‘’ y hembra con un sacado de 3/16 ‘’ de profundidad. Ambas caras son lisas y la junta es sostenida por el lado hembra. El diámetro interno de la junta coincide con el diámetro del orificio.


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f) Unión surco-espiga (tongue and groove)

Se diferencia del tipo macho-hembra en que la junta está sujeta en un surco cuyo diámetro menor es superior al diámetro del orificio, evitando así que la empaquetadura entre en contacto directo con fluidos muy corrosivos o erosivos. Basta un pequeño apriete para lograr un buen sello.

SERIES, DIMENSIONES Y TOLERANCIAS SERIE / PN

El término serie se utiliza para referirse a la presión nominal de diseño de una brida. De esta forma las bridas fabricadas según dimensiones ASME/ANSI se dividen en serie 150, serie 300, serie 400, serie 600, serie 900, serie 1500 y serie 2500 psi.

El termino PN que significa presión nominal, se utiliza en las bridas fabricadas según norma EN (European Norm) antiguamente DIN, y es un numero que representa la presión admisible de trabajo expresada en bar. DIMENSIONES Y TOLERANCIAS

La norma más frecuentemente usada en nuestro medio proviene de USA. Actualmente es conocida como ASME B16.5-1996 (unas 170 páginas aprox.) y se refiere a bridas para cañerías y bridas integradas a fittings, válvulas, bombas etc.



Esta norma ha sufrido una evolución en el tiempo desde su nombre inicial ASA B16e-1932, pasando por ANSI B16.5- 1973 hasta ANSI B16.5-1981, luego por ASME/ANSI B16.5- 1988 y finalmente ASME B16.5-1996. Es por eso que algunos usuarios hablan de bridas ASA, bridas ANSI y bridas ASME para referirse a la misma norma de dimensiones y tolerancias.

La norma ASME B16.5-1996, también habla de los materiales utilizables para la fabricación de bridas pero en referencia a las normas de fabricación ASTM recomendadas en cada caso. Los materiales los divide en 34 grupos: 1.1 a 1.14, 2.1 a 2.8, 3.1 a 3.16 existiendo en la norma, para cada grupo, una tabla temperatura-presión diferente que describe la máxima presión de trabajo recomendada para cada temperatura. La norma ASME B16.5-1996 describe las diversas formas de bridas y fittings con brida integrada, dando todas sus dimensiones y tolerancias en cada caso.

También se refiere a las dimensiones de los distintos tipos de caras o uniones y a los materiales y dimensiones de los diversos tipos de juntas.

Hace referencia a los pernos y/o espárragos con sus tuercas, recomendados, como también a sus normas ASTM de fabricación y normas ASME para las dimensiones.

Para las bridas con rosca, da los detalles de dimensiones haciendo referencia a la norma para rosca (NPT): ANSI/ASME B1.20.1-1983, reafirmada en 1992.

VALVULAS

Una válvula, es definida como un elemento de una línea de cañerías, destinado a

controlar de alguna forma el flujo de un fluido, desde la modificación de caudal (flujo total, flujo parcial hasta flujo cero), hasta la modificación de la presión en dicho flujo.

Existe una gran variedad de diseños, de acuerdo a su uso y en una variedad de materiales, apropiados para cada aplicación particular.

Dado que una válvula es un elemento formado por múltiples partes, se elige para cada parte, el material con las características adecuadas a la función de esa parte.

La tarea de especificar una válvula para un uso particular, implica determinar su tipo y diseño de acuerdo a las necesidades y características de la instalación, fijar sus dimensiones de acuerdo a la presión de trabajo, elegir el tipo de ensamblaje a la línea de cañerías de acuerdo a priorizar la facilidad de montaje y servicio o la menor posibilidad de fugas, puntos de corrosión u otros problemas y elegir los materiales de los diversos componentes (cuerpo y partes móviles), de acuerdo a la agresividad (corrosión, abrasión) del fluido, bajo las condiciones de temperatura y presión de operación.

Todo tramo de cañería previo al ingreso del fluido a la válvula, es lo que se denomina aguas arriba, y todo tramo de tubería a la salida de la válvula, es lo que se conoce como aguas abajo.

La primera clasificación que podemos hacer de las válvulas nos permite separarlas según las posibilidades de control del flujo:

• Válvulas interceptoras: Estas válvulas permiten o no el paso de fluido, también

se las denomina llaves de paso dado que solo pueden habilitar o no el paso de la totalidad del fluido. No es posible en estas válvulas dosificar la cantidad de fluido que circula también se las denomina válvulas de tipo ON-OFF.

• Válvulas Reguladoras de caudal: En este tipo de válvulas se puede regular la cantidad de fluido que circula, desde el cierre total hasta la apertura absoluta, pasando de manera continua o de manera paso a paso por todas las aperturas intermedias. Estas válvulas cumplen con la función de las válvulas interceptoras y con la función de las válvulas reguladoras de caudal. Esto supone una gran ventaja respecto de las anteriores.


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• Válvulas reguladoras de presión: En estas válvulas lo que regulamos es la

presión del fluido que circula (aguas arriba y aguas abajo de la válvula). Existen diferentes modelos entre los cuales podemos mencionar: Aquellas que mantienen una presión fija de salida (siempre menor a la de entrada) independientemente de las fluctuaciones de presión aguas arriba. Aquellas que mantienen la diferencia de presión entre la entrada y salida de manera fija. Aquellas que regulan una presión de salida con una diferencia constante de presión respecto de una señal externa que ingresa a la válvula (utilizadas en quemadores con atomización a vapor, mantienen la relación optima entre la señal del combustible y la presión del vapor de atomización).

• Válvulas unidireccionales o antiretorno: Estas válvulas solo permiten la circu-

lación de fluido en un sentido, se utilizan para evitar el retorno del fluido en sentido contrario al deseado.

• Válvulas orientadoras de flujo: En estas válvulas de tres o mas vías, lo que se controla es los puntos desde y hacia donde se dirige el fluido en bifurcaciones. En la figura siguiente, se puede ver una válvula de tres vías que orienta el flujo de agua en función de la temperatura.

A continuación se da una clasificación general de válvulas, que no pretende ser

única, ni tampoco pretende abarcar la totalidad de las mismas. Este es un tema por demás extenso y complejo que supera la profundidad de este apunte.



CLASIFICACIÓN GENERAL DE VÁLVULAS Esféricas Interceptoras (de tipo ON/OFF) Compuerta Mariposa Reguladoras de caudal Globo De acción directa a resorte Reguladoras de presión VÁLVULAS Pilotadas Swing Check Retención Duo Check Tilt disc Orientadoras de flujo De contrapeso

Seguridad y alivio A resorte Discos de ruptura De la clasificación hecha anteriormente podemos mencionar las siguientes válvulas específicamente: VÁLVULA ESFÉRICA Esta válvula podemos clasificarla dentro de las válvulas de tipo ON/OFF, es decir es una válvula interceptora que no puede ser utilizada como válvula reguladora de caudal dado que se resienten sus asientos y rápidamente comienzan a tener fugas. A su vez es de las llamadas válvulas de un cuarto de vuelta, dado que con el giro de 90º del vástago se pasa de un estado al otro. Esto último es muy útil en el caso de querer comandar la válvula por un mecanismo de automatización o de control a distancia. De operación muy rápida, logra un buen sello de la bola con el asiento (anillo de goma sintética, PTFE, Nylon, etc.) sin depender de torque externo. Es ideal para una operación de abrir y cerrar muy frecuente. El material del asiento, que establece el sello, es de fácil reemplazo pero limita la máxima temperatura de aplicación. Cuando está abierta proporciona un paso libre al fluido sin turbulencia ni gran caída de presión, por lo que es apta para líquidos viscosos. En estas válvulas existen dos grandes grupos

• De paso total: En estas el orificio de la esfera coincide con el diámetro interior de la cañería lo que minimiza la caída de presión y no restringe el caudal que circula por la misma.

• De paso normal: En estas válvulas el diámetro de la esfera es menor que

el diámetro interior de la cañería en donde esta instalada la válvula, esta


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genera mayores perdidas de carga y restringen en parte el caudal que puede circular por la válvula.

En fig. Siguiente se muestra un corte longitudinal en donde se puede apreciar el funcionamiento.

Desde el punto de vista constructivo las válvulas esféricas pueden ser:

Item Descripción 1 Cuerpo 2 Junta 3 Bonete 4 Tuerca 5 Perno 6 Asiento 7 Bola 8 Vástago 9 Cojinete

10 Dispositivo antiestática 11 Empaquetadura 12 Prensa 13 Tornillo 14 Palanca 15 Seguro 16 Chapa de freno



• Cuerpo unitario y esfera flotante . El cuerpo de una sola pieza implica una reducción al mínimo de posibilidad de fuga de fluido a través del mismo y otorga máxima seguridad.

Este diseño también brinda una elevada resistencia estructural, asegurando la rigidez de la cañería y tiene una alta capacidad de soportar choques térmicos o mecánicos.

La esfera flotante combinada con los asientos de doble contacto, aseguran una gran eficiencia de bloqueo.

• Cuerpo partido y esfera flotante

Cuando por razones constructivas no se puede usar el modelo anterior, el cuerpo pasa a ser de dos piezas. La unión del cuerpo debe asegurar una total hermeticidad a través de una junta y /o de un O´Ring.

• Cuerpo unitario y esfera guiada

A las ventajas ya descriptas del cuerpo unitario, se le suma el diseño de esfera con doble guía, que permite aliviar la presión sobre los asientos, obteniéndose una mayor vida útil de los mismos.

El guiado se produce íntegramente en el interior del cuerpo, lo que evita la posibilidad de pérdidas adicionales, o la expulsión del elemento de guiado. Este sistema de asientos permite el doble bloqueo de la línea, y el drenaje del interior de la válvula, lo que facilita el re empaquetado bajo presión.


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• Cuerpo partido y esfera guiada

Este diseño de cuerpo partido se usa cuando por razones constructivas no es posible el uso del cuerpo unitario.

Tiene las mismas ventajas del diseño de esfera guiada antes mencionado.

La unión entre ambas partes del cuerpo tienen las mismas características resistivas que la unión bridada a la cañería, lo que las hace apta para usar en final de línea.

En esta válvula las conexiones pueden ser tanto roscadas como bridadas e inclusive existen válvulas con conexiones clamp.

VÁLVULA MARIPOSA

Esta válvula podemos clasificarla dentro de las válvulas de tipo reguladora de caudal, de un cuarto de vuelta, que además por supuesto sirve como interceptora de tipo ON/OFF. Una característica positiva es el pequeño espacio que ocupan dado que no necesitan tener un cuerpo estanco, sobre todo en las válvulas de conexiones bridadas de tipo wafer, en donde el disco de cierre de la mariposa, se introduce dentro de los caños al ir girando en su apertura. En la figura siguiente se pueden apreciar el aspecto de dichas válvulas:



En la figura siguiente se transcriben las dimensiones de un fabricante de estas válvulas, entre las medidas sobresalientes, se puede apreciar la poca dimensión en el sentido del eje (cota C).

COEFICIENTE DE CAUDAL

Cuando el flujo pasa a través de una válvula u otro dispositivo restrictivo, pierde una energía. El coeficiente de caudal, es un factor de diseño que relaciona la diferencia de altura (Δh) o presión (ΔP) entre la entrada y salida de la válvula con el caudal (Q). Para el caso de líquidos la expresión que lo vincula es la siguiente:

En donde: Q: Caudal ΔP: Diferencia de presión Sg: Gravedad específica (1 para agua) K: Coeficiente de caudal Kv o Cv Cada válvula tiene su propio coeficiente de caudal. Éste depende de como la válvula ha sido diseñada para dejar pasar el flujo a través de ella. Por consiguiente, las mayores diferencias entre diferentes coeficientes de caudal provienen del tipo de válvula, y naturalmente el grado de apertura de la válvula.


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Puede ser importante conocer el coeficiente de caudal para poder seleccionar la válvula que se necesita en una aplicación específica. Si la válvula va a estar la mayor parte del tiempo abierta, posiblemente interesará elegir una válvula con poca pérdida de carga para poder ahorrar energía. O si se trata de una válvula de control, el rango de coeficientes de caudal en las diferentes posiciones de apertura tendrían que permitir cumplir las necesidades de regulación de la aplicación. En igualdad de flujo, cuanto mayor es el coeficiente de caudal, las pérdidas de carga a través de la válvula son menores. La industria de las válvulas ha estandarizado el coeficiente de caudal (K). Este se referencia para agua a una determinada temperatura, y unidades de caudal y diferencia de presión también específicas. Un mismo modelo de válvula tiene un coeficiente de caudal (K) distinto para cada diámetro. Kv es el coeficiente de caudal en unidades métricas. Se define como el caudal en metros cúbicos por hora [m3/h] de agua a una temperatura de 16° celsius con una caída de presión a través de la válvula de 1 bar. Cv es el coeficiente de caudal en unidades inglesas. Se define como el caudal en galones US por minuto [gpm] de agua a la temperatura de 60° fahrenheit con una caida de presión a través de la válvula de 1 psi. Kv = 0.865 · Cv Cv = 1,156 · Kv

VÁLVULA DE COMPUERTA

Destinada a operar totalmente abierta o totalmente cerrada, podemos clasificarlas dentro de las válvulas de intercepción de tipo ON/OFF. La perdida de carga es mínima. No tiene un sentido de flujo. Se diferencian unas de otras por:

• Tipo de unión entre cuerpo y bonete (con rosca, abulonadas, soldadas) • Tipo de vástago (con rosca externa o interna) • Tipo de disco o compuerta (cuña de una pieza o de dos piezas)

La unión con rosca entre cuerpo y bonete sólo es apta para baja presión. Para alta presión se usan los otros tipos (Ej. abulonadas).

El vástago externo evita el contacto constante con el fluido, permite una fácil lubricación e indica claramente el estado cerrado o abierto. Está expuesto sí, a daños por golpes y atmósferas corrosivas.

La cuña de una pieza es de fácil construcción, evita vibraciones y la válvula puede colocarse en cualquier posición. La cuña de dos piezas es más difícil de fabricar y está expuesta a vibraciones, sin embargo está sujeta a menor desgaste ya que la cuña se asienta (mediante un separador) una vez puesta en su posición de descanso al cerrar, no existiendo roce entre la superficie de la cuña y el descanso. Está restringida a una posición vertical del vástago.



VALVULA DE CUCHILLO

Para el manejo de fluidos con gran cantidad de sólidos en suspensión en forma de

pulpa o ‘’slurry’’, se necesita un diseño de compuerta en forma de cuchillo, que asegure un sellado total. Las partículas del sólido pueden depositarse sobre el asiento de la válvula en el diseño convencional impidiendo un cierre total y pudiendo dañar la superficie de contacto. La menor superficie de contacto y la forma afilada del borde de la compuerta ‘’cortan’’ el slurry sin dificultad. El cuerpo es fabricado en dos mitades.


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VALVULA GLOBO

Destinada a la regulación de flujos y operación frecuente, introduce una caída de presión en la línea, proporcionan un cierre hermético. El asiento es paralelo a la dirección del fluido por lo que introduce turbulencia y resistencia al paso del líquido.

Tiene un sentido de flujo determinado marcado por una flecha en el cuerpo de la válvula. La presión del fluido debe normalmente ejercerse desde abajo en el disco. La fuerza necesaria para cerrarla es comparativamente mayor que en el caso de las válvulas de compuerta y de bola, pero el recorrido del vástago es mucho menor. La unión cuerpo bonete puede ser con rosca, abulonada o soldada, dependiendo de la presión de trabajo. Por su diseño, tanto el asiento como el disco (globo) pueden ser reparados y reemplazados con facilidad sin retirar la válvula de la línea. Hay diferentes diseños de globo o disco

• Disco plano de Teflón o compuesto ( especial para gases, no adecuado para grandes restricciones de flujo)

• Disco esférico ( poca superficie de contacto con el asiento es útil cuando hay tendencia a la formación de depósitos en el asiento)

• Disco cónico (mayor superficie de contacto con el asiento es adecuada para grandes restricciones de flujo)

• Disco aguja (permite una regulación muy fina de flujo, adecuado para instrumentación)

• Disco check (el disco se desliza en el vástago permitiendo una doble función de control de flujo y para evitar el retorno).

Hay válvulas rectas y en ángulo. A continuación se muestra un esquema de una

válvula globo típica, con la denominación de la mayoría de sus partes.

Item Descripción 1 Disco 2 Eje o vástago 3 Asiento 4 Empaquetadura del vástago 5 Junta de cierre 6 Cuerpo y tapa 7 Extremos 8 Pernos de unión 9 Volante



ACTUADORES En todas las válvulas de tipo ON/OFF y en las de tipo reguladoras de caudal, existe la posibilidad de efectuar la operación por intermedio de un dispositivo de automatismo denominado “actuador”. La principal ventaja de colocar actuadores en las válvulas, consiste en la posibilidad de insertar la misma, dentro de un lazo de control que me permite no solamente accionar la válvula a distancia sino que a su vez lo hace dentro de la lógica de todo el circuito controlado. Los tipos de actuadotes mas usuales son los de accionamiento neumático (por intermedio de cilindros), hidráulicos (por intermedio de cilindros) o eléctricos (por intermedio de bobinas). VÁLVULAS DE RETENCIÓN

Destinada a prevenir el retorno de fluido en una línea de cañerías. Básicamente dispone de una pieza móvil (disco), normalmente asentada e inmovilizada en posición abierta o cerrada, por la presión del mismo fluido (o ayuda de un resorte), que pivota en un extremo (swing check) o en un punto excéntrico (tilting disc check) o se levanta paralelamente a su eje como un pistón (lift check), con el fin de abrir o cerrar el paso de fluido. El disco puede ser partido al centro y cada mitad pivotar en forma independiente (duo check) manteniéndose cerradas con ayuda de un resorte.

Esta válvula tiene un sentido de flujo que la abre y un sentido de flujo opuesto que la cierra.


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VÁLVULAS DE DIAFRAGMA

Se utiliza para abrir y cerrar el paso de flujo pero también para regular flujo de gases y líquidos corrosivos en líneas de baja presión.

El elemento de control es una membrana o diafragma de material elástico, por lo que tiene ciertas limitaciones de temperatura y presión.

No tiene un sentido de flujo preferencial. Existen dos diseños: de paso recto y del tipo presa (paso vertedero). El primero se utiliza cuando se requiere minimizar la resistencia al flujo. Útil para

líquidos corrosivos, líquidos viscosos, líquidos con sólidos en suspensión y slurrys (pulpas). Tiene el inconveniente que el diafragma se desgasta más por tener un mayor recorrido entre las posiciones totalmente abierta y totalmente cerrada. Esto también limita la selección del material del diafragma que debe ser más elástico.

El diseño tipo presa permite obtener un cierre hermético con relativamente poca fuerza. El recorrido del diafragma es más corto por lo que la vida útil del diafragma es mayor.

Para regulación de flujo, el diseño tipo presa es preferible aunque a flujos muy bajos, la regulación es pobre.



VÁLVULAS DE ALIVIO Es un dispositivo automático, que actúa por la presión estática corriente arriba de la válvula. Esta se abre proporcionalmente al incremento de presión, por encima de la presión de apertura. Se usa principalmente en servicio con líquidos. En esta categoría se ubican las cargadas por contrapeso. En fluidos incompresibles (líquidos), todas las válvulas excepto las pilotadas diseñadas para apertura rápida, se comportan como válvulas de alivio. Las destinadas al uso específico en líquidos deberán tener el bonete cerrado, para evitar derrames, las que se usen en gases y vapores pueden tener el bonete abierto o ventilado.

VÁLVULAS DE SEGURIDAD Es un dispositivo automático, que actúa por la presión estática corriente arriba de la válvula y caracterizado por una rápida apertura del elemento de cierre (acción de disparo). Se usa principalmente en servicio con vapores y gases.

Diseñadas para utilización exclusiva en gases y vapores, utiliza la expansión volumétrica de estos para provocar, mediante la energía cinética, la fuerza necesaria para lograr el levantamiento del disco en contraposición del resorte en forma rápida.

Son las más utilizadas en servicios de vapor de agua, sobre todo en generadores de vapor, con bonete abierto o yugo para la ventilación del resorte y palanca de prueba para efectuar la apertura manual cuando la presión está por encima del 75% de la presión de disparo.

VÁLVULAS DE SEGURIDAD Y ALIVIO Es un dispositivo automático, adecuado para usarse tanto como válvula de seguridad como de alivio de presión, de acuerdo con el servicio requerido. Se construyen con el bonete cerrado y pueden ser de diseño convencional o balanceado admitiendo también distintos tipos de accesorios como ser palanca de prueba, indicadores de apertura, servo-mecanismos para su actuación a distancia etc. De acuerdo con las normas de aplicación más difundidas (API/ASME), las válvulas de seguridad y alivio presentan una disposición de entrada y salida en ángulo y con secciones de descarga mayores a las de la entrada.


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DISCOS DE RUPTURA Es un dispositivo de alivio de presión sin recierre, accionado por la presión estática en la entrada y diseñado para operar por la explosión de un disco que resiste la presión. Todo el conjunto está compuesto por las bridas que dan sostén al disco calibrado, más este último que es el que debe reponerse cada vez que el mismo acciona. Es muy común la utilización en forma combinada de discos de ruptura, antes de la conexión de válvulas de seguridad y alivio. De esta forma se evita que la válvula este sometida a la presión y el contacto con el fluido, que en muchas ocasiones es corrosivo y/o esta a alta temperatura. Con este simple agregado de un elemento relativamente económico y simple, se alarga la vida útil de la válvula, que proporcionalmente puede ser hasta 10 veces más cara. Una segunda razón de utilizar este esquema combinado, se debe a que las válvulas de seguridad pueden presentar fugas de fluido, si este es venteado a la atmósfera es un problema ambiental, que con el disco de ruptura se elimina por completo

FILTROS FILTRACION

La filtración es una de las técnicas de separación más antiguas. Es un método físico-mecánico para la separación de mezclas de sustancias compuestas de diferentes



fases (fase = componente homogéneo en un determinado estado de agregación). Un medio filtrante poroso es atravesado por un líquido o gas (fase 1) y las partículas sólidas o gotículas de un líquido (fase 2) quedan retenidas en la superficie o en el interior del medio filtrante.

En función de las fases, se distinguen diferentes campos de aplicación de la filtración de: • Partículas sólidas de líquidos (suspensiones) • Partículas sólidas de gases • Gotículas líquidas de gases (aerosoles) • Gotículas de un líquido no miscible de otro líquido (emulsiones)

Con ayuda de la filtración se pueden separar componentes sólidos de suspensiones o gases, así como componentes líquidos de aerosoles o emulsiones. Mediante un filtro hidrófobo se puede filtrar por ejemplo agua de combustibles. Aire u otros gases se pueden limpiar de aerosoles de agua, aceite o alquitrán.

En función del problema o bien de la finalidad de la filtración, se distingue entre filtración de separación o filtración clarificante. En el caso de la filtración de separación, se trata de recuperar un determinado sólido de un líquido (torta de filtrado) para seguir trabajando con el sólido. Aquí no es imprescindible que todas las partículas sean eliminadas del líquido. Contrariamente, en la filtración clarificante, el líquido se debe limpiar en lo posible completamente de componentes indeseados o precipitados, para poder seguir trabajando con el líquido purificado.

La filtración tiene una amplia gama de aplicaciones: desde el procedimiento analítico en el laboratorio hasta aplicaciones técnicas en grandes líneas de producción. En prácticamente todas las ramas industriales se filtra. TIPOS DE FILTROS

La elección del tipo de filtro más adecuado depende de muchos factores diferentes: de la especie, cantidad y tamaño de partículas a separar, de la especie, volumen y temperatura del medio a filtrar, así como del método de filtración y de la precisión requerida.

Las exigencias para el filtro son tan diferentes como lo son cada uno de los campos de aplicación. Se tienen que tener en cuenta las características químicas y físicas de la muestra a filtrar, así como el consiguiente análisis o manipulación del precipitado o del filtrado. De la amplia variedad de tipos de filtros existentes, los más usuales son los llamados filtros de canasto, que se instalan directamente en la línea con los extremos roscados ó bridados. La configuración puede ser en Y o en T. Los filtros tipo "Y" poseen un simple diseño y robusta construcción. Su gran área de filtrado implica que el mismo sea excepcionalmente eficiente. Sus partes internas son rápida y fácilmente accesibles. Los filtros tipo "Y" no solamente previenen el pasaje de material extraño, sino que constituyen un depósito donde éste es acumulado y luego fácilmente removido a través de su conexión de purga, la cual esta provista de un tapón roscado ó con una válvula para tal fin. Sus extremos de conexión pueden ser a bridas, para soldar a tope butt weld, ó a enchufe socket weld, o bien roscadas.


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VÁLVULAS ORIENTADORAS DE FLUJO (DE 3 O MAS VÍAS) Este tipo de válvulas, poseen tantas bocas (vías) como direcciones sea necesario controlar. Las válvulas mas frecuentes de este tipo son las de 3 vías que poseen una entrada y dos salidas o por el contrario dos entradas y una salida. Generalmente se realizan sobre válvulas de tipo esféricas, en donde los orificios de las diferentes vías se realizan sobre la esfera. En el cuerpo de la esfera se disponen las diferentes conexiones. Otra posibilidad es sobre la base de la válvula globo, con una conexión inferior.



BOMBAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS Las máquinas hidráulicas pertenecen a un grupo de máquinas que se llaman de fluido. Estas son aquellas en que el fluido, o bien proporciona la energía que absorbe la máquina (por ejemplo el agua a presión que se suministra a una turbina de un embalse, entrega energía para mover un generador eléctrico) o bien aquellas en que el fluido es receptor de energía al que la máquina restituye la energía mecánica absorbida (por ejemplo el agua que sale de una bomba con mas presión que la que tenía a la entrada de la misma, porque la bomba ha restituido al agua la energía absorbida en el eje). Las máquinas de fluido se clasifican en máquinas hidráulicas y máquinas térmicas.

• La máquina hidráulica es aquella en que el fluido que intercambia su energía, no

varía sensiblemente de densidad en su paso a través de la máquina, por lo cual en el diseño y estudio de la misma se hace la hipótesis de que la densidad es constante.

• Máquina térmica es aquella en que el fluido en su paso a través de la máquina varia sensiblemente de densidad y volumen especifico, el cual en el diseño y estudio de la máquina ya no puede suponerse constante.

DEFINICIÓN DE BOMBA

La bomba es una máquina que absorbe energía mecánica y la restituye al líquido que la atraviesa en forma de energía hidráulica. Las mismas son utilizadas para mover todo tipo de fluidos líquidos, de cualquier grado de viscosidad, densidad y con o sin sólidos en suspensión. Las bombas se clasifican en:

1. Bombas de desplazamiento positivo En estas bombas existen dos

subgrupos, las reciprocantes, también llamadas alternativas y las rotoestáticas que son rotativas y la dinámica del flujo en la bomba no influye en la transmisión de energía.


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Podemos decir que en estas bombas, el aumento de la presión se consigue imprimiendo una fuerza de tipo mecánica, directamente sobre el fluido. Al aumentar el volumen de la cámara logran la succión y al disminuir el mismo logran la impulsión, con el consiguiente aumento de presión. Por este último motivo, suelen llamarse también bombas volumétricas.

2. Bombas Rotodinámicas: Estas se basan en la ecuación de Euler y su órgano transmisor de energía se llama rotor o rodete. Su nombre proviene del movimiento rotativo de su órgano transmisor de energía y debido a que el cambio de dirección y magnitud de la velocidad del fluido, juega un papel fundamental en esta transmisión de energía. En otras palabras podemos decir que en estas bombas el incremento de presión, se obtiene al variar la velocidad y dirección del fluido.

PRINCIPIO DEL DESPLAZAMIENTO POSITIVO

En el interior de un cilindro, en donde se mueve un embolo con movimiento uniforme y velocidad v, hay un fluido a la presión p. Supondremos que tanto el cilindro como el embolo son rígidos e indeformables y que el fluido es incompresible. El movimiento del pistón se debe a la fuerza aplicada F. El embolo al moverse desplaza al fluido a través del orificio de la figura.

Si el pistón recorre un espacio l hacia la izquierda, el volumen ocupado por el líquido se reducirá en un valor igual a A*l (donde A es el área transversal del pistón). Como el fluido es incompresible, el volumen de fluido que sale por el orificio será también A*l. El tiempo t empleado en recorrer la distancia l es:

t = l/v

El caudal Q, o volumen desplazado en la unidad de tiempo, será, teniendo en cuenta lo expresado anteriormente:

Si no hay rozamiento la potencia comunicada al fluido será:

Instalaciones industriales .

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Pero como F = p*A tenemos:

Es evidente que el esquema anterior puede funcionar de manera reversible. Es decir

que puede funcionar como bomba, absorbiendo energía mecánica y transformarla en energía hidráulica o por el contrario, alimentando el embolo con potencia hidráulica, obtener potencia mecánica. De ambas formas podemos asegurar que:

• El principio de desplazamiento positivo consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara.

CLASIFICACIÓN GENERAL DE BOMBAS A pistón Alternativas A diafragma Desplazamiento positivo Peristálticas Engranajes Bombas Rotativas Tornillo

Cavidades progresivas Paletas

Flujo radial Centrifuga Flujo mixto Dinámicas o rotodinámicas Hélice Flujo axial BOMBAS A PISTON

En el sistema de la figura siguiente, el embolo se desplaza de manera alternativa de derecha a izquierda y viceversa. Este desplazamiento S es lo que denominamos carrera. Con cada vuelta completa del volante, el pistón realiza dos carreras. En la carrera que se dirige hacia la derecha, la cámara incrementa su volumen interno y se genera una depresión que abre la válvula de aspiración y cierra la válvula de impulsión. Esta depresión a su vez hace ingresar el líquido al interior del cilindro. En la carrera opuesta se


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genera una presión que cierra la válvula de aspiración y abre la válvula de impulsión. Esta presión generada, impulsa al líquido, a mayor presión, fuera del cilindro a través de la válvula de impulsión.

El caudal teórico de la bomba será:

Donde: A es el área transversal del embolo (m²) n es el numero de revoluciones por minutos (r.p.m.) s es la carrera del pistón (m)

En conclusión, el caudal teórico de una bomba de émbolo es directamente

proporcional al área del émbolo, a la carrera y al número de revoluciones del motor, y no depende de la presión creada por la bomba. Esta última determina la potencia absorbida por la bomba para bombear un caudal determinado.

Si queremos aumentar el caudal, sin aumentar excesivamente las dimensiones de la máquina, según la ecuación anterior habrá que aumentar n; pero por razones mecánicas, la velocidad media del émbolo no suele exceder 1,5 m/s, y el número de carreras dobles (ida y vuelta) no suele exceder 550 a 600 por minuto. La tendencia moderna señala un progreso hacia velocidades de émbolo mayores que las indicadas, con lo que se disminuyen las dimensiones y el peso de la bomba (aumento de potencia específica). Las bombas de émbolo en contraposición de las rotodinámicas tienen excelentes características de aspiración y no necesitan cebado. Sin embargo, la regulación del caudal no puede hacerse en estas bombas por cierre de la válvula de impulsión sino variando el número de revoluciones del motor, o bien haciendo el by-pass de parte del caudal impulsado otra vez al tubo de aspiración.

La válvula de impulsión en una bomba de émbolo sólo se debe cerrar al parar la bomba, jamás en marcha. Esto es así porque de lo contrario, la presión crecería hasta tal punto que se produciría una avería seria en el motor (caso de no estar éste protegido), en la bomba o en la instalación.

CAUDAL REAL Q



El caudal real es menor que el teórico, a causa de las fugas debidas a retraso de cierre en las válvulas, a que las válvulas no son estancas, y a las pérdidas exteriores en el prensaestopas por donde el eje atraviesa el émbolo. Además el aire mezclado con el líquido impulsado que se desprende a causa del vacío creado por la bomba, y que penetra por el tubo de aspiración si no es estanco, disminuye el caudal. Sin embargo, aquí también la disminución de caudal útil se debe al caudal de retroceso que circula en estas bombas por el juego entre el émbolo y el cilindro dilatado sobre todo en las grandes presiones. Estas pérdidas se tienen en cuenta en el rendimiento volumétrico.

El mismo oscila entre 0,85 a 0,99. Es mayor en las bombas cuyo émbolo es de

mayor diámetro, y es tanto menor cuanto menor es la viscosidad del fluido.

CARACTERISTICAS Este tipo de bombas se deben de utilizar con fluidos que tengan capacidad de

lubricación. Es decir que posean características oleosas de buena viscosidad y capacidad de mojar y dejar una película lubricante. Se puede decir que en general se utilizan con todo tipo de hidrocarburos, derivados del petróleo, aceites vegetales, etc. Estas bombas no son recomendables para bombear agua. (Excepto en aplicaciones de muy alta presión, con la utilización materiales cerámicos, como es el caso de hidrolavadoras o máquinas de corte por chorro de agua). En estas aplicaciones se alcanzan presiones de hasta 7000 bar, y la tendencia es que estas presiones se incrementen aún más.

Desde el punto de vista mecánico, la capacidad de elevar la presión a la salida (presión de impulsión), es prácticamente ilimitada. La misma depende de la resistencia mecánica de la cabeza del pistón y de la resistencia mecánica del cilindro. Como valores frecuentes en este tipo de bombas para sistemas hidráulicos se manejan presiones de entre 150 bar y 700 bar.

Con relación a los caudales que se pueden lograr con estas bombas, como mencionábamos en el párrafo anterior, los mismos son limitados y generalmente bajos.

Podemos realizar una estimación del caudal máximo aproximado que se puede lograr con una bomba alternativa de un pistón, utilizando los valores máximos estimados.

Si consideramos una carrera de 0,4 m; un diámetro de pistón de 0,25 metros y una velocidad angular de 350 r.p.m. obtenemos el siguiente resultado:

Area del pistón : PI * 0,25² * 0,25 = 0,049 m² Volumen desplazado en una revolución = 0,049 * 0,4 = 0,020 m³ Caudal horario = 0,020 * 350 * 60 = 412 m³ / hora Caudal por segundo = 115 litros / seg

Si bien este caudal es sumamente grande, los valores considerados para obtenerlo,

requieren de una bomba que además de ser voluminosa, pesada y sumamente costosa, es crítica desde el punto de vista mecánico. Este mismo caudal, es fácilmente alcanzable con otros tipos de bombas que resultan sumamente convenientes para mover grandes caudales.

Con respecto a la capacidad de aspiración, entendiéndose por tal a la aptitud de elevar el líquido por el tubo de succión, la misma es muy buena, llegando en la práctica a valores cercanos a los 7,5 metros de columna de agua.

El concepto de metros de columna de agua, es muy utilizado en la fabricación de bombas, dado que todas las pruebas y ensayos efectuadas por los constructores, se


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realizan generalmente con agua. A continuación analizamos el concepto de columna de agua, para determinar la equivalencia que existe con otras unidades de presión.

En la figura siguiente imaginamos una columna de agua soportada por un fondo plano:

1Kg = H cm * 1 cm² * 0,001 Kg/cm³ Despejando tenemos: H = 1000 cm

En conclusión, si poseemos una columna de 10 metros de agua, esta ejerce sobre la base de la misma una presión equivalente a 1 Kg/cm². Si bien no es exacto, es aproximadamente equivalente también a 1 bar. La equivalencia exacta es de 1,019 Kg/cm² = 1bar. Por otra parte, en el análisis anterior supusimos que el agua pesa 0,001 Kg/cm³, cuando en realidad el valor exacto es de 0,00098. Es importante hacer notar en este apunte, que existen muchas situaciones en la industria, en donde se suelen redondear valores y utilizar aproximaciones a veces un tanto burdas para la ciencia, pero que son sumamente prácticas y validas para las necesidades prácticas. Siempre hay que tener presente, que la economía y la simplicidad de la práctica industrial, llevan a coeficientes de seguridad o a normalizaciones que van a contramano de los cálculos exactos realizados por la ciencia. CONCEPTO DE ANPA (ALTURA NETA POSITIVA DE ASPIRACIÓN)

De la figura podemos determinar cual es la máxima altura Hs por sobre el nivel de líquido, a la cual se puede colocar una bomba, logrando succionar liquido sin alcanzar la presión de vapor.

En la práctica, si no respetamos esta altura máxima, no podremos bombear el líquido, al no lograr una capacidad de aspiración suficiente.

Area = PI *Ø² . 4

H

Peso especifico H2O = 0,001 Kg/cm³

Area columna = 1 cm²

Si analizamos una columna que pese 1 Kg, podemos determinar cual es la altura de columna para alcanzar este peso:



La altura total a la entrada de la bomba referida a la cota ZE será:

La altura total en la aspiración disponible HED, será:

Por otra parte aplicando la ecuación generalizada de Bernoulli entre A y E, despreciando, la energía cinética en el pozo de aspiración (cA² / 2g ≈ O), se tiene:

Como ZE – ZA = Hs tenemos que:

De lo anterior podemos deducir finalmente, la expresión de la altura disponible de

aspiración. Esta de sus siglas en ingles es conocida como NPSH (Net Positive Suction Head).


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TIPOS DE BOMBAS A PISTÓN En la práctica existen infinidad de bombas de desplazamiento positivo, que utilizan un pistón como medio de elevación de la presión, la diferencia entre ellas radica en la forma en que se motorizan y utilizan estos émbolos dentro de cada bomba. Por ejemplo existen bombas con pistones de doble efecto, que utilizan ambas caras del pistón para elevar la presión. De esta manera se reduce en parte el carácter pulsante del caudal y se utilizan todas las carreras para impulsar líquido y simultáneamente aspirar por la cara opuesta.

Como puede verse en la cámara de la derecha, el área efectiva se reduce por el

espacio que ocupa el vástago de impulsión del embolo. Esto se traduce en una reducción del caudal real que puede calcularse como:

Existen dentro de las llamadas bombas multiplex, bombas de 3 o 4 cilindros de

simple o doble efecto, en todos los casos, cuanto mayor cantidad de cilindros posea la bomba, mayor uniformidad tendrá el caudal total resultante.

Todas las bombas mencionadas anteriormente, trabajan movilizadas por un cigüeñal. Pero existen otro tipo de bombas de pistones, llamadas de émbolos radiales, que poseen un block cilíndrico único con perforaciones en su periferia por donde se mueven los pistones. Los mismos son movilizados por un disco rotante, que esta fijo con un determinado ángulo de inclinación, respecto de la perpendicular al eje de rotación ó que posee una inclinación variable. En este ultimo caso, al variar la inclinación, varia las carreras de los émbolos y se logra regular el caudal bombeado.



Este tipo de bombas es muy utilizado en industrias pesadas para grandes circuitos hidráulicos, en aplicaciones de prensas, trenes de laminación, etc. BOMBAS A DIAFRAGMA

Todo lo explicado para las bombas de desplazamiento positivo, en cuanto al

principio de funcionamiento, es valido para estas bombas. En este sistema se reemplaza el embolo por un diafragma de material elástico, se fabrican con elastómeros o termoplásticos, que tengan las propiedades de elasticidad, resistencia mecánica y compatibilidad química con el fluido.

Las hay de simple efecto o de doble efecto y pueden ser motorizadas mediante un vástago y un sistema de biela manivela o mediante un sistema hidráulico o neumático de válvula de distribución que le permite desplazar el diafragma en forma reciprocante.

Este último método, permite evitar el uso de energía eléctrica lo que convierte a esta bomba en antiexplosiva. Esto es particularmente útil para su uso en zonas clasificadas. En refinerías y yacimientos de extracción de petróleo y gas, esta bomba es sumamente útil para servicios menores (como por ejemplo para el achique de agua en trincheras de tanques).

En las figuras siguientes se puede ver una bomba de diafragma, de doble efecto, operada con una válvula distribuidora neumática.

DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE BOMBAS A DIAFRAGMA DE DOBLE EFECTO DE OPERACIÓN NEUMÁTICA

El funcionamiento de estas bombas, está basado fundamentalmente en la acción conjunta de cuatro elementos: un par de diafragmas, un eje que los une, una válvula distribuidora de aire y cuatro válvulas de retención de esfera.

El movimiento alternativo de los diafragmas, genera la succión y la impulsión del producto a través de las válvulas. Este movimiento es producido por aire comprimido, el cual es distribuido a un diafragma u otro por la válvula de aire. Se describe el funcionamiento a partir de una bomba sin suministro de aire y sin estar previamente cebada.

Una vez conectado el aire comprimido, la válvula distribuidora lo enviará a la parte posterior de uno de los diafragmas (el de la derecha en el gráfico), haciendo que el mismo se aleje del centro de la bomba. Ya que ambas membranas se encuentran unidas por el eje, en el mismo movimiento el diafragma de la izquierda se verá atraído hacia el centro


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de la bomba, generando una depresión en la cámara de líquido y expulsando al exterior el aire que se encontraba en su parte posterior.

Dada la diferencia de presiones entre la cámara de líquido y el exterior, el producto

a bombear ingresa al equipo abriendo la válvula de esfera. Cuando el eje llega al final de su carrera, la válvula distribuidora cambia el sentido

del flujo de aire, enviándolo a la parte posterior de la otra membrana (la de la izquierda en este caso).

A partir de este momento, ambos diafragmas y el eje efectúan un recorrido inverso al anterior, produciendo el vaciamiento de la cámara de líquido izquierda y generando vacío en la de la derecha (las válvulas de esfera que estaban abiertas se cierran y viceversa debido al cambio de sentido del flujo). Este ciclo se repite indefinidamente mientras esté conectado el suministro de aire, independientemente de si la bomba está alimentada con líquido o no.

Dado que es la presión atmosférica la que impulsa el líquido dentro de la bomba una vez producido el vacío, la presión de succión máxima teórica del equipo es de 101,3 KPa, llegándose en la práctica en algunos casos a valores cercanos a los 70 KPa (aproximadamente 7 m de columna de agua).

En cambio, la presión que impulsa al producto, es directamente la presión de aire entregada, ya que líquido y aire están solamente separados por el diafragma. Estas bombas admiten una presión máxima de aire de entre 600 u 800 KPa, lo que equivale a elevar una columna de agua a 60 u 80 m.

En caso de que el producto bombeado genere una carga (peso de la columna de líquido, rozamiento en las paredes de la cañería, cierre de un grifo o válvula, obstrucción de un filtro, etc.) igual o mayor a la presión de aire entregada, el equipo se detendrá sin sufrir deterioro alguno.

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS BOMBAS A DIAFRAGMA

Este tipo de bombas posee una capacidad de impulsión no muy alta, dado que la

resistencia del diafragma es su punto débil. En cuanto a la capacidad de generar caudales, los mismos también son reducidos. La altura de aspiración, difícilmente pueda superar los 5 metros de columna de agua en los mejores casos. En cuanto a los fluidos que es capaz de bombear, los mismos pueden ser prácticamente de cualquier viscosidad y naturaleza, siempre y cuando no posean sólidos en suspensión que traben las válvulas de retención.

Con respecto a los materiales de construcción, los mismos pueden ser de los más variados y permiten utilizar prácticamente todo tipo de fluidos. Existen bombas de



materiales plásticos y membranas de goma que poseen un costo sumamente reducido y son aptas para el bombeo de una enorme cantidad de fluidos, incluyendo ácidos y demás productos corrosivos. La única limitación en estas bombas, es la de la temperatura del fluido a bombear. Generalmente no se puede superar los 90 ºC a 100 ºC.

En el cuadro siguiente se indican los materiales más frecuentemente utilizados para la fabricación de los diafragmas de estas bombas.

Con respecto a los materiales del cuerpo de las bombas en la tabla siguiente se

indican los materiales mas frecuentemente utilizados por los fabricantes

En el caso de las bombas que posean cuerpos de plástico, las mismas suelen

cargarse estáticamente durante el funcionamiento, en el caso de utilizárselas en zonas con riesgo de explosión, se deben de conectar a tierra.

DIFERENTES POSIBILIDADES DE INSTALACIÓN DE ESTE TIPO DE BOMBAS En el caso de tener que instalar una bomba de este tipo existen básicamente 3 tipos diferentes de montaje que son los que a continuación se describen el un grafico dado por un fabricante.


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BOMBAS PERISTALTICAS Una bomba peristáltica es un tipo de bomba de desplazamiento positivo, del grupo

de las rotoestáticas, usada para bombear una variedad de fluidos. El fluido es contenido dentro de un tubo flexible empotrado dentro de una cubierta circular de la bomba (aunque se han hecho bombas peristálticas lineales). Un rotor con un número de ‘rodillos’, ‘zapatos’ o ‘limpiadores’ unidos a la circunferencia externa comprimen el tubo flexible. Mientras que el rotor da vuelta, la parte del tubo bajo compresión se cierra (o se ocluye) forzando, de esta manera, el fluido a ser bombeado para moverse a través del tubo. Adicionalmente, mientras el tubo se vuelve a abrir a su estado natural después del paso de la leva (‘restitución’), el flujo del fluido es inducido a la bomba. Este proceso es llamado peristalsis y es usado en muchos sistemas biológicos como el aparato digestivo.

USOS Las bombas peristálticas son típicamente usadas para bombear fluidos limpios o estériles porque la bomba no puede contaminar el líquido, o para bombear fluidos agresivos porque el fluido no puede contaminar la bomba. Algunas aplicaciones comunes incluyen bombear productos químicos agresivos, mezclas altas en sólidos y otros materiales donde el aislamiento del producto del ambiente, y el ambiente del producto, son críticos.



VENTAJAS Debido a que la única parte de la bomba en contacto con el fluido que es bombeado es el interior del tubo, las superficies internas de la bomba son fáciles de esterilizar y limpiar. Además, puesto que no hay partes móviles en contacto con el líquido, su carencia de válvulas, de sellos y de arandelas, y el uso de mangueras o tubos, hace que tengan un mantenimiento de bajo costo comparado a otros tipos de bombas. USOS TÍPICOS

• Diálisis • Fabricación de alimentos • Dispensar bebidas • Producción farmacéutica • Tratamiento de aguas

TUBOS

Los tubos utilizados en este tipo de bombas son de silicona y se pueden obtener de diferentes diámetros en función de las necesidades de caudal. Toda máquina posee un regulador de velocidad, que permite variar la velocidad con gira el rotor de rodillos. Esto me permite regular el caudal con una precisión excelente.


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Si bien estas bombas están dentro del grupo de las llamadas rotoestáticas, que en general poseen un caudal constante, las peristálticas poseen una caudal pulsante. A medida que el número de zapatos aumenta y que las revoluciones crecen, el carácter pulsatorio disminuye, haciéndose cada vez más constante.

BOMBA DE ENGRANAJES

FUNCIONAMIENTO DETALLADO DE LAS BOMBAS DE ENGRANAJES

Este tipo de bomba produce caudal al transportar el fluido entre los dientes de dos engranajes acoplados. Uno de ellos es accionado por el eje de la bomba (motriz), y este hace girar al otro (libre). La bomba de engranajes funciona por el principio de desplazamiento positivo, es del subgrupo de las rotoestáticas. Su caudal es continuo. El engranaje conductor es impulsado según se indica en la figura y hace girar al engranaje conducido en sentido contrario. En la bomba, la cámara S (de admisión), utiliza la separación de los dientes, para transportar el líquido entre los huecos de dientes y la carcaza exterior de la bomba. Este continuo desplazamiento de líquido, de la cámara de succión a la cámara de impulsión, genera una depresión, estando la bomba con líquido, que permite que el sistema succione fluido desde el exterior. La capacidad de aspiración estando la bomba cebada no es muy buena. Estas bombas deben de estar cebadas (inundadas de líquido) para poder comenzar a bombear, de lo contrario no poseen capacidad de aspiración en lo absoluto.

Los dientes llenos transportan el líquido a lo largo de la pared de la carcaza hacia la cámara P (de impulsión). En la cámara P los piñones que engranan transportan el líquido fuera de los dientes e impiden el retorno del líquido de la cámara P hacia la cámara S.

Por lo tanto el líquido de la cámara P tiene que salir hacia el receptor, el volumen del líquido suministrado por revolución se designa como volumen suministrado.



RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO DE LA BOMBA DE ENGRANAJE

El rendimiento volumétrico de la bomba es el cociente que se obtiene al dividir el caudal de líquido que comprime la bomba y el que teóricamente debería comprimir. Dicho en otros términos el rendimiento volumétrico expresa las fugas de líquido que hay en la bomba durante el proceso de compresión.

El rendimiento volumétrico es un factor de la bomba muy importante, ya que a partir de él se puede analizar la capacidad de diseño y el estado de desgaste en que se encuentra una bomba.

El rendimiento volumétrico es afectado también por la presión del fluido hidráulico que se transporta y por la temperatura del mismo. RENDIMIENTO MECÁNICO DE LA BOMBA DE ENGRANAJE

El rendimiento mecánico mide las perdidas de energía mecánica que se producen en la bomba, causadas por el rozamiento y la fricción de los mecanismos internos. RENDIMIENTO TOTAL O GLOBAL DE LA BOMBA DE ENGRANAJE El rendimiento total o global es el producto de los rendimientos volumétrico y mecánico. Se llama total porque mide la eficiencia general de la bomba en su función de bombear líquido a presión, con el aporte mínimo de energía al eje de la bomba.

Así pues el rendimiento total se expresa como el consumo de energía necesario para producir la presión hidráulica nominal del sistema. CAPACIDAD DE IMPULSIÓN La capacidad de generar presión de estas bombas es muy elevada, llegando en algunas de estas bombas a presiones de hasta 500 bares. Este tipo de bombas se suelen utilizar en centrales hidráulicas para generar la presión de aceite necesaria. Como referencia, podemos mencionar que los valores de presión hidráulica habituales están entre los 140 y 350 bares. TIPOS DE FLUIDOS Los fluidos que habitualmente se utilizan con estas bombas, son de altas viscosidades y que presenten características lubricantes. De no ser así, es necesario que los cojinetes de los engranajes, posean algún sistema de lubricación que deberá estar aislado del fluido a bombear.


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CAPACIDAD DE GENERAR CAUDAL En estas bombas, que poseen el comportamiento lineal de caudal en función de la velocidad angular, existen impedimentos de tipo mecánicos para poder lograr grandes caudales. La primera variable, que es el diámetro de los engranajes, tiene un límite físico obvio. La segunda variable, que es el espesor de los mismos, posee la misma limitante. La velocidad, que es la ultima variable, tiene también limitaciones prácticas de a lo sumo 1400 r.p.m. esto hace que no se puedan lograr grandes caudales con bombas de estas características. BOMBAS A TORNILLO Estas bombas poseen 2 o 3 tornillos de rosca cuadrada o trapecial, de pasos opuestos, sincronizados en su giro por medio de engranajes externos alojados en los extremos. Los tornillos no se rozan entre sí, ni tampoco rozan contra la carcaza exterior de la bomba. Trabajan a mayor velocidad que ninguna otra bomba de desplazamiento positivo dado que no hay partes móviles en rozamiento. Poseen un funcionamiento sumamente silencioso y muy bajo mantenimiento. Las bombas de 2 tornillos, poseen uno de ellos (tractor) directamente acoplado al motor y en el extremo opuesto esta acoplado a un engranaje que le transmite movimiento al otro tornillo que gira en sentido opuesto. Las bombas de 3 tornillos, poseen el tornillo central acoplado al motor que mueve la bomba, y los laterales son conducidos por el primero a través de engranajes. Por el sentido del flujo podemos clasificar a estas bombas en: Succión simple (el fluido ingresa por un extremo, se desplaza axialmente y sale por el otro extremo.) Succión doble (el fluido ingresa por los extremos y avanza axialmente hacia el centro por donde desemboca.) El montaje de estas bombas puede ser vertical (el eje de los tornillos se encuentra en esa posición) o montaje horizontal (los ejes de los tonillos están en esa posición.)

El principio de funcionamiento es similar al de las bombas a engranaje, la diferencia radica en los siguientes puntos. El rozamiento dentro de la bomba es nulo, razón por la cual las perdidas mecánicas son mínimas. El fluido puede contener sólidos en suspensión dado que es posible diseñar el huelgo entre tornillos para evitar que los mismos se erosionen y atasquen. Es posible lograr flujos mas continuos y de mayores caudales que con las bombas a engranajes. Se pueden alcanzar presiones algo menores que con las bombas a engranajes de no más de 250 a 300 bares pero los caudales que pueden llegar a alcanzar son verdaderamente altos.

A continuación se presenta el esquema de estas bombas



BOMBA DE CAVIDADES PROGRESIVAS BCP

El Bombeo por Cavidad Progresiva proporciona un método de levantamiento artificial que se puede utilizar en la producción de fluidos muy viscosos y posee pocas partes móviles por lo que su mantenimiento es relativamente sencillo.

Un sistema BCP consta básicamente de un cabezal de accionamiento en superficie y una bomba de fondo compuesta de un rotor de acero, en forma helicoidal de paso simple y sección circular, que gira dentro de un estator de elastómero vulcanizado. La operación de la bomba es sencilla; a medida que el rotor gira excéntricamente dentro del estator, se van formando cavidades selladas entre las superficies de ambos, para mover el fluido desde la succión de la bomba hasta su descarga. GEOMETRÍAS

La geometría de la bomba está sujeta a la relación de lóbulos entre rotor y estator, y está definida por los siguientes parámetros:


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• Cada ciclo de rotación del rotor produce dos cavidades de fluido. • El área es constante, y la velocidad de rotación constante, el caudal es uniforme;

Esta es una importante característica del sistema que lo diferencia del bombeo alternativo con descarga pulsante. Esta acción de bombeo puede asemejarse a la de un pistón moviéndose a través de un cilindro de longitud infinita.

• La mínima longitud requerida por la bomba; para crear un efecto de acción de bombeo es UN PASO, ésta es entonces una bomba de una etapa. Cada longitud adicional de paso da por resultado una etapa más. El desplazamiento de la bomba, es el volumen producido por cada vuelta del rotor (es función del área y de la longitud de la cavidad).

• En tanto, el caudal es directamente proporcional al desplazamiento y a la velocidad de rotación.

La capacidad de un sistema BCP para vencer una determinada presión está dada por

las líneas de sello hidráulico formados entre ROTOR y ESTATOR. Para obtener esas líneas de sello se requiere una interferencia entre rotor-estator, es decir una compresión entre rotor y estator. Posición relativa del rotor y el estator en una bomba de lóbulo simple.

Existen distintas geometrías en sistemas BCP, y las mismas están relacionadas directamente con el número de lóbulos del estator y rotor.

En las siguientes figuras se puede observar un ejemplo donde podremos definir algunas partes importantes.

Siempre el estator tiene un lóbulo mas que el rotor

La relación entre el número de lóbulos del rotor y el estator permite definir la siguiente nomenclatura:



La distribución de efectos es dada por la cantidad de veces que la línea de sellos se repite, define el número de etapas de la bomba. Cada etapa está diseñada para soportar una determinada presión diferencial, por lo tanto a mayor número de etapas, mayor es la capacidad para vencer una diferencial de presión. Se pueden presentar distintas combinaciones que afectan a la distribución de la presión dentro de la bomba:

DISTRIBUCIÓN Y EFECTOS


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La interferencia entre rotor y el elastómero, es la diferencia entre el diámetro externo de la sección del rotor y el menor diámetro del estator. Es necesaria para generar presión diferencial entre cavidades, que requiere un sellado hermético entre rotor y estator. Es la característica más importante a determinar para obtener una larga vida útil una vez dimensionado el equipo BPC.

• Baja interferencia: disminuye la eficiencia de la bomba. • Alta interferencia: pronta rotura por histéresis.

a) Igual interferencia- Distinto número de etapas.

b) Igual número de etapas - Distinta interferencia.

BOMBAS DE PALETAS Estas bombas poseen un rotor, con unas paletas retráctiles, que van rascando el interior de una cámara que se encuentra descentrada con respecto al rotor. El principio de funcionamiento es de desplazamiento positivo. Entre dos paletas consecutivas existe un volumen que va variando a medida que el rotor gira dentro del cuerpo excéntrico. Existen bombas de paletas compensadas y no compensadas. Las de tipo no compensadas, poseen una sola aspiración y una sola impulsión en sectores opuestos del cuerpo. Esto genera una fuerza perpendicular al eje de giro de la bomba. En las bombas de paletas compensadas existen dos aspiraciones y dos impulsiones colocadas de manera de anularse las fuerzas de reacción entre sí. Este tipo de bombas requiere una velocidad mínima de rotación de aproximadamente 600 r.p.m. para poder funcionar generando la aspiración mínima. Estas bombas son frecuentes en sistemas hidráulicos de máquinas viales por ejemplo para los sistemas de dirección. Son relativamente pequeñas para las elevadas presiones que pueden desarrollar. Los caudales que pueden bombear son realmente bajos.



BOMBAS CENTRIFUGAS Esta es la bomba más frecuentemente utilizada en todo tipo de industrias y para usos domiciliarios de los más variados. En general son utilizadas para el bombeo de agua y todos aquellos fluidos de poca viscosidad con o sin sólidos en suspensión. Es una bomba de tipo dinámica, que genera elevaciones de presión por modificación de la velocidad del fluido dentro de la misma. Son de muy bajo costo y poseen una mínima cantidad de piezas móviles que no poseen rozamiento con ninguna otra pieza dentro de la bomba. Son de escaso mantenimiento y poseen una larga vida útil. DESCRIPCIÓN DE LA BOMBA CENTRIFUGA La bomba centrifuga posee dos piezas fundamentales que son:

• Un cuerpo o carcasa • un rotor o rodete, (única pieza móvil), que contiene una serie de alabes (paletas).

Si observamos detenidamente el dibujo siguiente, podemos apreciar que el espacio existente entre dos alabes consecutivos, presentan una forma divergente. Por otra parte como el rotor presenta una leve excentricidad en el interior de la carcasa, el huelgo formado por estas dos piezas también presenta un aspecto divergente.


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El centro del rotor posee un orificio llamado “ojo”, que es por donde ingresa el fluido proveniente del tubo de aspiración. Desde el punto de vista del eje de giro del rodete, existen las bombas horizontales, que son las más económicas y las bombas verticales. En las primeras se debe de prever un sistema de inundación de la carcaza “cebado”, a menos que se coloque la bomba por debajo del nivel del líquido a bombear. En las verticales, que presentan el motor de impulsión por encima de la bomba, generalmente trabajan sumergidas, razón por la que no es necesario prever un sistema de cebado. En estas ultimas inclusive, se utilizan a veces árboles de transmisión de tipo flexible, para poder colocar el motor varios metros por encima de la bomba.

Desde el punto de vista de la aspiración, existen bombas de aspiración simple y bombas de doble aspiración. Esto significa que el ojo del rodete posee una doble entrada, por cada extremo del eje o que posee una entrada única por un solo extremo. Constructivamente el rotor puede ser abierto, semiabierto o cerrado. Esto significa que posea alabes aislados en el caso del abierto, un disco de soporte a un costado de los alabes en el semiabierto o en el caso de los impulsores cerrados un disco a cada lado de los alabes.

El impulsor cerrado, evita que el fluido presente una cara del tubo formado por los alabes, en contacto con la superficie interior de la carcasa que esta fija. Esto último naturalmente produce un aumento de perdidas por rozamiento entre el fluido que está girando y la carcaza que es estática. La ventaja principal de los rotores de tipo abiertos, es que admiten el bombeo de fluidos sucios con sólidos en suspensión, sin que se produzcan atascamientos. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Para comprender de un modo sencillo el principio de funcionamiento analizaremos que es lo que ocurre con un fluido dentro de una sección variable. Una tobera convergente es aquella en la que las secciones aguas abajo son menores que las secciones aguas arriba. Una tobera divergente es aquella en donde las secciones se incrementan aguas abajo. Como se puede ver en la figura siguiente, la sección 1 desemboca a través de un estrechamiento (tobera convergente) en la sección 2.



Si aplicamos la ecuación de Bernoulli sin perdidas, entre la sección 1 y la 2 podemos escribir lo siguiente:

P1 + Z 1 + v1² = P2 + Z 2 + v2² ϕ.g 2.g ϕ.g 2.g

Por otra parte, la ecuación de continuidad, se puede expresar para el dibujo

anterior como:

A1.V1 = A2.V2

Esto significa que si la sección disminuye necesariamente debe de aumentar la velocidad. Dicho en otras palabras para una A1 mayor que A2 la velocidad V1 es menor que V2.

Analizando las expresiones anteriores es obvio que si V1 es menor que V2 la presión P1 es mayor que P2.

En el caso de la bomba centrifuga todas las partículas de líquido, son obligadas a describir trayectorias a través de secciones que poseen la forma de una tobera divergente. Como se analizo anteriormente, esto equivale a decir que las gotitas de líquido se desaceleran en cuanto a su velocidad de traslación a medida que simultáneamente incrementan su presión.

Analizaremos una gota de fluido que se encuentre en el “ojo”. Al comenzar a girar el rotor, el mismo arrastra al fluido por medio de los alabes y le transmite un movimiento circular. Este movimiento genera una fuerza centrifuga, que hace que la gota en estudio se desplace entre dos alabes, en sentido radial hacia el exterior del rotor. Como el alojamiento de los alabes es divergente, al alejarse la gota del centro del rotor, disminuye su velocidad y aumenta su presión. Al haber dejado libre el espacio que ocupaba en el ojo, nuestra gota genero una depresión que succiono la gota que se encontraba detrás de ella. Este efecto de succión solo es posible, si al comenzar a girar el rotor, el mismo se encuentra completamente inundado por el líquido a bombear. Una vez que nuestra gota alcanzo la periferia del rotor, se encuentra en el huelgo que deja la carcasa con el rotor. Este espacio, orienta el líquido para que salga hacia la conexión de impulsión, en una nueva zona divergente que le sigue disminuyendo su velocidad de traslación y aumentando por ende su presión. La zona al final de la voluta, previo a la brida de salida, es la de mayor presión en la bomba.


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Impulsor cerrado impulsor semiabierto impulsor abierto de simple y doble aspiración de simple aspiración de doble aspiración Existen dos tipos de impulsores desde el punto de vista de orientación del flujo. Los

de flujo netamente radial, en donde el mismo se desplaza en forma perpendicular al eje de giro del rotor y los de tipo mixto, en donde el fluido puede descomponer su trayectoria en una componente radial y una axial. Existe también la posibilidad de colocar varias etapas, es decir de intercalar una serie de bombas en donde la impulsión de una etapa es la aspiración de la siguiente. Con este método, podemos lograr incrementar la presión total de la bomba, como suma de cada una de las etapas. Este tipo de bombas se denominan de múltiples etapas. Otra posibilidad que existe es la de colocar varias bombas conectadas en paralelo, es decir que se suman en este caso los caudales y no la presión que es la misma para todas. Características de las bombas centrifugas Capacidad de impulsión: Desde el punto de vista de la presión que pueden generar estas bombas en la impulsión, podemos calificarlas como de baja presión. Como valores máximos de referencia en general son bombas que no superan los 100 a 150 metros de altura de columna de agua (aproximadamente 10 a 15 bar de presión). Cabe aclarar que este valor es por cada etapa que podamos incorporar y es solo a modo de referencia. Capacidad de aspiración: Como mencionamos anteriormente, el efecto de succión en esta bomba solo se logra dinámicamente, una vez que la misma se encuentra en funcionamiento. En estas condiciones podemos decir que la capacidad de aspiración es bastante buena, siendo del orden de los 3 a 5 metros de columna de agua. Caudal: Estas bombas son de las que menores limitaciones poseen en cuanto a la capacidad de bombeo. Siendo los caudales de los mas altos de todos los sistemas de bombeo vistos en este apunte. Existen, para dar un valor de referencia, bombas centrifugas que poseen caudales de 1200 m³/hora.

Date post:	28-Nov-2023
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Instalaciones Industriales UNIDAD Nº I -CONDUCCION DE FLUIDOS SISTEMAS DE CONDUCCIÓN DE FLUIDOS

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