Bomba centrífuga

Bomba utilizada para transportar fluidos mediante la conversión de energía cinética rotacional.

Bomba centrífuga Warman en una aplicación de planta de preparación de carbón

Un par de bombas centrífugas para hacer circular agua caliente dentro de un sistema de calefacción hidrónico.

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

Los usos comunes incluyen bombeo de agua, alcantarillado, agricultura, petróleo y petroquímicos. Las bombas centrífugas a menudo se eligen por sus capacidades de alto caudal, compatibilidad con soluciones abrasivas, potencial de mezcla, así como su ingeniería relativamente simple. ^[2] Un ventilador centrífugo se usa comúnmente para implementar una unidad de manejo de aire o una aspiradora . La función inversa de la bomba centrífuga es una turbina de agua que convierte la energía potencial de la presión del agua en energía rotacional mecánica.

Historia

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

Principio de funcionamiento

Vista en corte de la bomba centrífuga

Como la mayoría de las bombas, una bomba centrífuga convierte la energía rotacional, a menudo de un motor, en energía en un fluido en movimiento. Una parte de la energía se convierte en energía cinética del fluido. El fluido ingresa axialmente a través del ojo de la carcasa, queda atrapado en las paletas del impulsor y se arremolina tangencial y radialmente hacia afuera hasta que sale por todas las partes circunferenciales del impulsor hacia la parte difusora de la carcasa. El fluido gana velocidad y presión al pasar por el impulsor. La sección difusora en forma de rosquilla, o voluta, de la carcasa desacelera el flujo y aumenta aún más la presión.

Descripción de Euler

Una consecuencia de la segunda ley de la mecánica de Newton es la conservación del momento angular (o “momento de momento”), que es de importancia fundamental para todas las turbomáquinas. En consecuencia, la variación del momento angular es igual a la suma de los momentos externos. Momentos angulares

$${\displaystyle \rho Qrcu}$$

En la entrada y la salida, un par externo y momentos de fricción debidos a esfuerzos cortantes actúan sobre un impulsor o un difusor, donde: ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle M\tau }$

• ${\displaystyle \rho }$es la densidad del fluido (kg/m ³ )
• ${\displaystyle Q}$es el caudal (m ³ /s)
• ${\displaystyle r}$es el radio
• ${\displaystyle c}$el vector de velocidad absoluta
• ${\displaystyle u}$es el vector de velocidad circunferencial periférica.

Dado que no se crean fuerzas de presión sobre superficies cilíndricas en la dirección circunferencial, es posible escribir la ecuación (1.10) ^{[ aclaración necesaria ]} como: ^[4]

${\displaystyle \rho Q(c_{2}ur_{2}-c_{1}ur_{1})=M+M_{\tau }}$(1.13)

Ecuación de la bomba de Euler

Basándose en la ecuación (1.13), Euler desarrolló la ecuación de presión de carga creada por el impulsor (ver figura 2.2).

${\displaystyle Yth.g=H_{t}=c_{2}u.u_{2}-c_{1}u.u_{1}}$(1)

${\displaystyle Yth=1/2(u_{2}^{2}-u_{1}^{2}+w_{1}^{2}-w_{2}^{2}+c_{2}^{2}-c_{1}^{2})}$(2)

En la ecuación (2), la suma de los 4 elementos frontales (presión estática) y la suma de los 2 últimos elementos (presión de velocidad) se observan con atención en la figura 2.2 y en la ecuación detallada. ^{[ Se necesita aclaración ]}

• ${\displaystyle H_{t}}$: presión de cabeza teórica: = entre 9,78 y 9,82 m/s2 ^dependiendo de la latitud, valor estándar convencional de exactamente 9,80665 m/ ^s2 aceleración gravitacional baricéntrica ${\displaystyle g}$
• ${\displaystyle u_{2}=r_{2}\omega }$: vector de velocidad circunferencial periférica
• ${\displaystyle u_{1}=r_{1}\omega }$: vector de velocidad circunferencial de entrada
• ${\displaystyle \omega =2\pi n}$:velocidad angular
• ${\displaystyle w_{1}}$: vector de velocidad relativa de entrada
• ${\displaystyle w_{2}}$: vector de velocidad relativa de salida
• ${\displaystyle c_{1}}$vector de velocidad absoluta de entrada
• ${\displaystyle c_{2}}$: vector de velocidad absoluta de salida

Triángulo de velocidad

El triángulo de colores formado por los vectores de velocidad se denomina triángulo de velocidad . Esta regla fue útil para detallar la ecuación (1) y convertirla en ecuación (2) y para explicar en detalle cómo funciona la bomba. ${\displaystyle u,c,w}$

La figura 2.3 (a) muestra el triángulo de velocidad de un impulsor de álabes curvados hacia adelante; la figura 2.3 (b) muestra el triángulo de velocidad de un impulsor de álabes rectos radiales. Ilustra con bastante claridad cómo la energía agregada al flujo (mostrada en el vector ) cambia inversamente con la velocidad de flujo (mostrada en el vector ). ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle c_{m}}$

Factor de eficiencia

$${\displaystyle \eta ={\frac {\rho .gQH}{P_{m}}}}$$

dónde:

• ${\displaystyle P_{m}}$¿Es la potencia de entrada mecánica requerida (en vatios)?
• ${\displaystyle \rho }$es la densidad del fluido (kg/m ³ )
• ${\displaystyle g}$es la aceleración estándar de la gravedad (9,80665 m/s ² )
• ${\displaystyle H}$es la carga energética añadida al caudal (en metros)
• ${\displaystyle Q}$es el caudal (en m ³ /s)
• ${\displaystyle \eta }$¿Es la eficiencia de la planta de bombeo en forma decimal?

La altura añadida por la bomba ( ) es una suma de la elevación estática, la pérdida de altura debido a la fricción y cualquier pérdida debido a válvulas o curvas de tuberías, todas expresadas en metros de fluido. La potencia se expresa más comúnmente como kilovatios (10 ³ W, kW) o caballos de fuerza . El valor de la eficiencia de la bomba, , puede indicarse para la bomba en sí o como una eficiencia combinada del sistema de bomba y motor. ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle \eta _{\textrm {pump}}}$

Bombas centrífugas verticales

Las bombas centrífugas verticales también se conocen como bombas en voladizo. Utilizan una configuración única de eje y soporte de cojinetes que permite que la voluta cuelgue en el cárter mientras los cojinetes están fuera del cárter. Este estilo de bomba no utiliza prensaestopas para sellar el eje, sino que utiliza un "casquillo de aceleración". Una aplicación común para este estilo de bomba es en una lavadora de piezas .

Bombas de espuma

En la industria minera, o en la extracción de arenas bituminosas, se genera espuma para separar los minerales ricos o el betún de la arena y las arcillas. La espuma contiene aire que tiende a bloquear las bombas convencionales y provocar la pérdida de potencia. A lo largo de la historia, la industria ha desarrollado diferentes formas de abordar este problema. En la industria de la pulpa y el papel, se perforan agujeros en el impulsor. El aire escapa hacia la parte posterior del impulsor y un expulsor especial descarga el aire de regreso al tanque de succión. El impulsor también puede presentar pequeñas paletas especiales entre las paletas primarias llamadas paletas divididas o paletas secundarias. Algunas bombas pueden presentar un ojo grande, un inductor o recirculación de espuma presurizada desde la descarga de la bomba hacia la succión para romper las burbujas. ^[5]

Bombas centrífugas multietapa

Bomba centrífuga multietapa ^[6]

Una bomba centrífuga que contiene dos o más impulsores se denomina bomba centrífuga multietapa. Los impulsores pueden estar montados en el mismo eje o en ejes diferentes. En cada etapa, el fluido se dirige al centro antes de dirigirse hacia la descarga en el diámetro exterior.

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

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

Toda la energía transferida al fluido se deriva de la energía mecánica que impulsa el impulsor. Esta se puede medir en compresión isentrópica , lo que produce un ligero aumento de temperatura (además del aumento de presión).

Uso de energía

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

Bomba centrífuga de flujo radial de una etapa

$${\displaystyle P_{i}={\cfrac {\rho \ g\ H\ Q}{\eta }}}$$

dónde:

• ${\displaystyle P_{i}}$es la potencia de entrada requerida (en vatios )
• ${\displaystyle \rho }$es la densidad del fluido (en kilogramos por metro cúbico , kg/ ^m3 )
• ${\displaystyle g}$es la aceleración estándar de la gravedad (9,80665 m/s ² )
• ${\displaystyle H}$es la altura de energía añadida al caudal (en metros )
• ${\displaystyle Q}$es el caudal volumétrico (en metros cúbicos por segundo , m ³ /s)
• ${\displaystyle \eta }$¿Es la eficiencia de la planta de bombeo en forma decimal?

La altura añadida por la bomba ( ) es la suma de la elevación estática, la pérdida de altura debida a la fricción y las pérdidas debidas a válvulas o curvas de tuberías, todas expresadas en metros de fluido. La potencia se expresa más comúnmente en kilovatios (10 ³ W, kW) o caballos de fuerza (1 hp = 0,746 kW). El valor de la eficiencia de la bomba, , puede indicarse para la propia bomba o como una eficiencia combinada del sistema de bomba y motor. ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle \eta _{pump}}$

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

Problemas de las bombas centrífugas

Estas son algunas de las dificultades que enfrentan las bombas centrífugas: ^[7]

• Cavitación : la altura de succión neta positiva ( NPSH ) del sistema es demasiado baja para la bomba seleccionada
• Desgaste del impulsor : puede verse agravado por sólidos suspendidos o cavitación.
• Corrosión dentro de la bomba causada por las propiedades del fluido.
• Sobrecalentamiento debido a bajo caudal
• Fuga a lo largo del eje giratorio.
• Falta de cebado: las bombas centrífugas deben llenarse (con el fluido a bombear) para poder funcionar.
• Aumento
• Los líquidos viscosos pueden reducir la eficiencia
• Otros tipos de bombas pueden ser más adecuados para aplicaciones de alta presión.
• Los sólidos o residuos grandes pueden obstruir la bomba.

Gráfico circular que muestra las causas de los daños a las bombas ^{[ cita requerida ]}

Bombas centrífugas para control de sólidos

Un sistema de control de sólidos en un campo petrolífero necesita muchas bombas centrífugas que se instalen sobre o dentro de los tanques de lodo. Los tipos de bombas centrífugas que se utilizan son bombas de arena, bombas de lodo sumergibles, bombas de corte y bombas de carga. Se definen por sus diferentes funciones, pero su principio de funcionamiento es el mismo.

Bombas acopladas magnéticamente

Las bombas acopladas magnéticamente, o bombas de accionamiento magnético, varían del estilo de bombeo tradicional, ya que el motor está acoplado a la bomba por medios magnéticos en lugar de por un eje mecánico directo. La bomba funciona a través de un imán de accionamiento, que "acciona" el rotor de la bomba, que está acoplado magnéticamente al eje primario impulsado por el motor. ^[8] A menudo se utilizan cuando la fuga del fluido bombeado supone un gran riesgo (por ejemplo, fluido agresivo en la industria química o nuclear, o descarga eléctrica - fuentes de jardín). Otros casos de uso incluyen cuando se deben bombear fluidos corrosivos, combustibles o tóxicos (por ejemplo, ácido clorhídrico , hidróxido de sodio, hipoclorito de sodio, ácido sulfúrico, cloruro férrico/ferroso o ácido nítrico). ^[9] No tienen una conexión directa entre el eje del motor y el impulsor, por lo que no se necesita prensaestopas ni casquillo . No hay riesgo de fuga, a menos que la carcasa esté rota. Dado que el eje de la bomba no está soportado por cojinetes fuera de la carcasa de la bomba , el soporte dentro de la bomba lo proporcionan bujes. El tamaño de la bomba de una bomba de accionamiento magnético puede variar desde unos pocos vatios de potencia hasta un gigantesco 1 MW. ^{[ cita requerida ]}

Cebado

El proceso de llenar la bomba con líquido se llama cebado. Todas las bombas centrífugas requieren líquido en la carcasa de líquido para cebar. Si la carcasa de la bomba se llena de vapores o gases, el impulsor de la bomba se obstruye con gas y no puede bombear. ^[10] Para garantizar que una bomba centrífuga permanezca cebada y no se obstruya con gas, la mayoría de las bombas centrífugas se ubican por debajo del nivel de la fuente de la que la bomba debe tomar su succión. El mismo efecto se puede obtener suministrando líquido a la succión de la bomba bajo presión suministrada por otra bomba colocada en la línea de succión.

Bomba centrífuga autocebante

En condiciones normales, las bombas centrífugas comunes no son capaces de evacuar el aire de una línea de entrada que conduce a un nivel de fluido cuya altitud geodésica está por debajo de la de la bomba. Las bombas autocebantes deben ser capaces de evacuar el aire de la línea de succión de la bomba sin ningún dispositivo auxiliar externo.

Las bombas centrífugas con una etapa de succión interna, como las bombas de chorro de agua o las bombas de canal lateral, también se clasifican como bombas autocebantes. ^[10] Las bombas centrífugas autocebantes se inventaron en 1935. Una de las primeras empresas en comercializar una bomba centrífuga autocebante fue American Marsh en 1938. ^{[ cita requerida ]}

Las bombas centrífugas que no están diseñadas con una etapa de autocebado interna o externa solo pueden comenzar a bombear el fluido después de que la bomba se haya cebado inicialmente con el fluido. Más resistentes pero más lentos, sus impulsores están diseñados para mover líquido, que es mucho más denso que el aire, lo que los deja incapaces de funcionar cuando hay aire presente. ^[11] Además, se debe instalar una válvula de retención oscilante del lado de succión o una válvula de ventilación para evitar cualquier acción de sifón y garantizar que el fluido permanezca en la carcasa cuando se haya detenido la bomba. En las bombas centrífugas autocebantes con una cámara de separación, el fluido bombeado y las burbujas de aire arrastradas son bombeados a la cámara de separación por la acción del impulsor.

El aire se escapa por la boquilla de descarga de la bomba mientras que el fluido vuelve a caer y es arrastrado por el impulsor. De esta forma, la línea de succión se vacía continuamente. El diseño requerido para una característica de autocebado de este tipo tiene un efecto adverso en la eficiencia de la bomba. Además, las dimensiones de la cámara de separación son relativamente grandes. Por estas razones, esta solución solo se adopta para bombas pequeñas, por ejemplo, bombas de jardín. Los tipos de bombas autocebantes más utilizados son las bombas de canal lateral y de anillo de agua.

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

Véase también

• Compresor centrífugo
• Bomba de flujo axial
• Altura de succión neta positiva (NPSH)
• Bomba
• Sello (mecánico)
• Velocidad específica ( N _s o N _ss )
• Prueba de bombas termodinámicas
• Turbina
• Turbobomba

Referencias

1. Shepard, Dennis G. (1956). Principios de turbomáquinas . Macmillan. ISBN 0-471-85546-4. Número de serie LCCN  56002849.
2. "Tipos de bombas para pulverizadores, costos y especificaciones". Suministros para pulverizadores . 2018-10-13. Archivado desde el original el 2018-11-21 . Consultado el 2018-11-21 .
3. Reti, Ladislao; Di Giorgio Martini, Francesco (verano de 1963). "Tratado sobre la ingeniería y sus plagiadores de Francesco di Giorgio (Armani) Martini". Tecnología y Cultura . 4 (3): 287–298 (290). doi :10.2307/3100858. JSTOR  3100858.
4. Gülich, Johann Friedrich (2010). Bombas centrífugas (2.ª ed.). Springer. ISBN 978-3-642-12823-3.
5. Baha Abulnaga (2004). Bombeo de petróleo y espuma (PDF) . 21.° Simposio internacional de usuarios de bombas, Baltimore, Maryland. Publicado por la Universidad Texas A&M, Texas, EE. UU. Archivado desde el original (PDF) el 11 de agosto de 2014. Consultado el 28 de octubre de 2012 .
6. Moniz, Paresh Girdhar, Octo (2004). Diseño, operación y mantenimiento práctico de bombas centrífugas (1.ª ed. publ.). Oxford: Newnes. p. 13. ISBN 0750662735. Recuperado el 3 de abril de 2015 .{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
7. Larry Bachus, Angle Custodio (2003). Conozca y comprenda las bombas centrífugas . Elsevier Ltd. ISBN 1856174093.
8. Karassik, Igor J. (2001). Manual de bombas (tercera edición). McGraw Hill Education . ISBN 9780070340329.^{[ enlace muerto permanente ]}
9. "¿Qué es una bomba de accionamiento magnético?". CECO Environmental . 12 de julio de 2021. Consultado el 30 de abril de 2023 .
10. Gülich, JF. (2008). Bombas centrífugas. Berlín: Springer. p. 79. doi :10.1007/978-3-642-12824-0. ISBN 978-3-642-12824-0.
11. "¿Cómo funcionan las bombas autocebantes?". Blog de Pump Sales Direct . 2018-05-11 . Consultado el 2018-05-11 .

Fuentes

• Comité de normas ASME B73, bombas estándar para productos químicos

Enlaces externos