Bomba centrífuga

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

Aplicación de bomba centrífuga Warman en una planta de preparación de carbón

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

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

Los usos comunes incluyen agua, aguas residuales, agricultura, petróleo y bombeo petroquímico. Las bombas centrífugas a menudo se eligen por sus capacidades de alto caudal, compatibilidad con soluciones abrasivas, potencial de mezcla y su ingeniería relativamente simple. ^[2] Un ventilador centrífugo se utiliza comúnmente para implementar una unidad de tratamiento 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 de rotación mecánica.

Historia

Según Reti, la primera máquina que pudo caracterizarse como 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 con paletas rectas. La paleta curva fue introducida por el inventor británico John Appold en 1851.

Cómo funciona

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 entra axialmente a través del ojo de la carcasa, queda atrapado en las palas del impulsor y gira tangencial y radialmente hacia afuera hasta que sale a través de 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 del difusor en forma de rosquilla, o espiral, 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 impulso”), que es de importancia fundamental para todas las turbomáquinas. En consecuencia, el cambio del momento angular es igual a la suma de los momentos externos. Momentos angulares

$${\displaystyle \rho Qrcu}$$

En la entrada y 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) ^{[ se necesita aclaración ]} como: ^[4]

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

Ecuación de la bomba de Euler

Basado en la ecuación. (1.13) Euler desarrolló la ecuación de presión de cabeza creada por el impulsor ver Fig.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 anteriores se llama presión estática, la suma de los 2 últimos elementos se llama presión de velocidad, mire detenidamente la figura 2.2 y la ecuación detallada. ^{[ se necesita aclaración ]}

• ${\displaystyle H_{t}}$: presión de cabeza teórica: = entre 9,78 y 9,82 m/s ² dependiendo de la latitud, valor estándar convencional de exactamente 9,80665 m/s ² 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 color formado por los vectores de velocidad se llama triángulo de velocidad . Esta regla fue útil para detallar la ecuación (1) y convertirse en la ecuación (2) y explicó ampliamente cómo funciona la bomba. ${\displaystyle u,c,w}$

La figura 2.3 (a) muestra el triángulo de velocidad de un impulsor de paletas curvadas hacia adelante; La figura 2.3 (b) muestra el triángulo de velocidad de un impulsor radial de paletas rectas. Ilustra con bastante claridad que la energía agregada al flujo (que se muestra en el vector ) cambia inversamente con la tasa de flujo (que se muestra 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 de energía añadida al flujo (en metros)
• ${\displaystyle Q}$es el caudal (en m ³ /s)
• ${\displaystyle \eta }$es la eficiencia de la planta de bombeo expresada en decimal

La altura agregada por la bomba ( ) es una suma de la elevación estática, la pérdida de carga debido a la fricción y cualquier pérdida debido a válvulas o curvas de tuberías se expresan 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 misma 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 denominan bombas cantiléver. Utilizan una configuración única de soporte de eje y cojinete que permite que la voluta cuelgue en el sumidero mientras los cojinetes están fuera del sumidero. Este estilo de bomba no utiliza prensaestopas para sellar el eje, sino que utiliza un "casquillo del acelerador". 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 betún de la arena y las arcillas. La espuma contiene aire que tiende a bloquear las bombas convencionales y provocar una pérdida de cebado. 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 a 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 tener 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 multietapas

Bomba centrífuga multietapa ^[6]

Una bomba centrífuga que contiene dos o más impulsores se llama bomba centrífuga multietapa. Los impulsores pueden montarse en el mismo eje o en ejes diferentes. En cada etapa, el fluido se dirige al centro antes de llegar a la descarga en el diámetro exterior.

Para presiones más altas en la salida, los impulsores se pueden conectar en serie. Para un mayor flujo de salida, 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. Esto se puede medir en compresión isentrópica , lo que da como resultado 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 requerido, la altura elevada y la longitud y las características de fricción de la tubería. La potencia requerida para impulsar una bomba ( ) se define simplemente usando unidades SI por: ${\displaystyle P_{i}}$

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/m ³ )
• ${\displaystyle g}$es la aceleración estándar de la gravedad (9,80665 m/s ² )
• ${\displaystyle H}$es la altura de energía agregada al flujo (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 expresada en decimal

La altura agregada por la bomba ( ) es una suma de la elevación estática, la pérdida de carga debido a la fricción y cualquier pérdida debido a válvulas o curvas de tuberías, todo expresado en metros de fluido. La potencia se expresa más comúnmente como 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 bomba misma o como una eficiencia combinada del sistema de bomba y motor. ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle \eta _{pump}}$

El uso de energía se determina multiplicando el requisito de energía por el tiempo que la bomba está funcionando.

Problemas de las bombas centrífugas.

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

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

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

Bombas centrífugas para control de sólidos.

Un sistema de control de sólidos en un yacimiento petrolífero necesita muchas bombas centrífugas colocadas sobre o dentro de tanques de lodo. Los tipos de bombas centrífugas utilizadas son bombas de arena, bombas sumergibles para lodos, bombas de cizallamiento y bombas de carga. Están definidos para sus diferentes funciones, pero su principio de funcionamiento es el mismo.

Bombas acopladas magnéticamente

Las bombas acopladas magnéticamente, o bombas de accionamiento magnético, difieren 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 mediante un imán impulsor, que "impulsa" el rotor de la bomba, que está acoplado magnéticamente al eje primario impulsado por el motor. ^[8] Se utilizan a menudo cuando la fuga del fluido bombeado supone un gran riesgo (p. ej., fluidos agresivos en la industria química o nuclear, o descargas eléctricas, en fuentes de jardín). Otros casos de uso incluyen cuando se deben bombear fluidos corrosivos, combustibles o tóxicos (p. ej., ácido clorhídrico , hidróxido de sodio, hipoclorito de sodio, ácido sulfúrico, cloruro férrico/ferroso o ácido nítrico). ^[9] No tienen conexión directa entre el eje del motor y el impulsor, por lo que no se necesita prensaestopas ni prensaestopas . No hay riesgo de fugas, a menos que la carcasa esté rota. Dado que el eje de la bomba no está sostenido por cojinetes fuera de la carcasa de la bomba , el soporte dentro de la bomba lo proporcionan casquillos. El tamaño de la bomba de una bomba de accionamiento magnético puede variar desde unos pocos vatios de potencia hasta 1 MW gigante. ^{[ cita necesaria ]}

Cebado

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

Bomba centrífuga autoaspirante

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

Las bombas centrífugas con etapa de aspiración 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 necesaria ]}

Las bombas centrífugas que no están diseñadas con una etapa autocebante 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 detiene la bomba. En las bombas centrífugas autocebantes con cámara de separación, el fluido bombeado y las burbujas de aire arrastradas se bombean a la cámara de separación mediante la acción del impulsor.

El aire escapa a través de la boquilla de descarga de la bomba mientras el fluido vuelve a caer y es arrastrado nuevamente por el impulsor. De este modo se evacua continuamente el conducto de aspiración. El diseño requerido para dicha característica de autocebado tiene un efecto adverso en la eficiencia de la bomba. Además, las dimensiones de la cámara de separación son relativamente grandes. Por estos motivos, esta solución sólo se adopta para bombas pequeñas, por ejemplo, bombas de jardín. Los tipos de bombas autocebantes más utilizados son las bombas de canal lateral y las de anillo de agua.

Otro tipo de bomba autocebante es una bomba centrífuga con dos cámaras de carcasa y un impulsor abierto. Este diseño no sólo se utiliza por sus capacidades de autocebado sino también por sus efectos de desgasificación cuando se bombean mezclas de dos fases (aire/gas y líquido) durante un corto tiempo en ingeniería de procesos o cuando se manipulan 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 aspiración. La bomba debe cebarse con el fluido que se va 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 del líquido haya sido empujado hacia la cámara de admisión de succión frontal por la presión atmosférica. Durante el funcionamiento normal de bombeo, esta bomba funciona como una bomba centrífuga normal.

Ver también

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

Referencias

1. Shepard, Dennis G. (1956). Principios de la turbomaquinaria . Macmillan. ISBN 0-471-85546-4. LCCN  56002849.
2. "Tipos, costos y especificaciones de bombas pulverizadoras". Suministros para pulverizadores . 2018-10-13. Archivado desde el original el 21 de noviembre de 2018 . Consultado el 21 de noviembre de 2018 .
3. Reti, Ladislao; Di Giorgio Martini, Francesco (verano de 1963). "Tratado sobre la ingeniería y sus plagiadores de Francesco di Giorgio (Armani) Martini". Tecnología y Cultura . 4 (3): 287–298 (290). doi :10.2307/3100858. JSTOR  3100858.
4. Gülich, Johann Friedrich (2010). Bombas centrífugas (2ª ed.). ISBN 978-3-642-12823-3.
5. Bahá Abulnaga (2004). Bombeo de espuma de arena y aceite (PDF) . XXI 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, octubre (2004). Diseño, operación y mantenimiento prácticos de bombas centrífugas (1. ed. publ.). Oxford: Newnes. pag. 13.ISBN​ 0750662735. Consultado el 3 de abril de 2015 .{{cite book}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
7. Larry Bachus, Ángulo Custodio (2003). Conocer y comprender las bombas centrífugas . Elsevier Ltd. ISBN 1856174093.
8. Karassik, Igor J. (2001). Manual de bombas (tercera ed.). Educación de McGraw Hill . ISBN 9780070340329.^{[ enlace muerto permanente ]}
9. "¿Qué es una bomba Mag-Drive?". CECO Ambiental . 12 de julio de 2021 . Consultado el 30 de abril de 2023 .
10. Gülich, JF. (2008). Bombas centrífugas. Berlín: Springer. pag. 79. doi :10.1007/978-3-642-12824-0. ISBN 978-3-642-12824-0.
11. "¿Cómo funcionan las bombas autocebantes?". Blog de venta directa de bombas . 2018-05-11 . Consultado el 11 de mayo de 2018 .

Fuentes

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

enlaces externos