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TEMA 8.
DIVERSOS TIPOS DE DESAGÜE
DESAGOTE POR SOCAVON, ZANJAS Y BOMBAS
El sistema de desagüe por socavón normalmente se utiliza en emergencias cuando no existe posibilidad de canalizar el fluido hacia otro lugar (zona de depresión del terreno, mina subterránea, etc.), pare ello el terreno debe poder excavarse por algún medio de preferencia mecánico y así confinar el fluido. El sistema de desagüe por zanja , se lo utiliza para evacuar el fluido a drenar hacia otra zona con menor nivel geodésico que el lugar desde donde se pretende evacuar el fluido, esto es debe existir una pendiente natural ó artificial hacia la zona de deposición del fluido. Normalmente se realiza un zanjeo mecánico por retroexcavadora sobre el terreno natural, esta zanja puede impermeabilizarse ó no. Este sistema permite evacuar volúmenes de líquidos más grande que en el caso de socavones. El desagote por bombas es muy utilizado tanto en emergencias como en tareas programadas, este sistema permite evacuar grandes volúmenes de fluido en tiempo breves a distintos lugares en forma canalizada (cañerías, mangas, etc.), permite enviar fluido a drenar a zonas que están en altura. Este sistema permite además el drenaje de líquidos densos, líquidos con sólidos en suspensión, aguas negras, contaminantes, corrosivos, tóxicos, explosivos, radiactivos, etc. En cada caso la bomba y accesorios de la instalación deben ser los adecuados para cada tipo de fluido.
TEMA 8.
BOMBAS PARA LÍQUIDOS
Las bombas son dispositivos mecánicos que transforman la energía mecánica absorbida desde el motor de impulso en energía hidráulica, que transfiere al líquido en circulación a través de ella. CLASIFICACIÓN DE BOMBAS Turbomáquinas rotodinámicas: El primer nombre (turbomáquinas) se debe a que su principio de funcionamiento se basa en la ecuación de Euler, el segundo (rotodinámicas) se debe a que funcionan por rotación de un rodete, el cual transfiere la energía mecánica al fluido en forma de energía cinética. De desplazamiento positivo: Dentro de este grupo están las bombas alternativas y las rotoestáticas, en las alternativas el elemento transmisor de la energía al fluido posee un movimiento reciprocante ó alternativo, en las rotoestáticas el elemento transmisor de la energía al fluido es un rodete, que gira convirtiendo la energía mecánica de impulso en energía de presión que recibe el fluido. El funcionamiento de estos tipos de bombas se basa en el principio del Desplazamiento Positivo. ELEMENTOS CONSTITUYENTES DE UNA BOMBA ROTODINÁMICA
TIPOS DE CONSTRUCCIÓN DE BOMBAS
Bomba de cámara seccionada: Como su nombre lo indica este tipo de bombas posee su carcasa ó voluta seccionada en un plano horizontal medio, esto permite la inspección del rodete, eje, empaquetadura, etc sin tener que desmontar toda la bomba lo cual es laborioso ya que en general este tipo de bombas son gran capacidad y por lo tanto de gran tamaño y peso. Normalmente poseen la succión e impulsión en la mitad inferior de su carcasa, permitiendo esto no tener que desconectar ambas cañerías para su revisión ó reparación Bomba monobloc: Comunmente denominadas electrobombas, la carcasa de la bomba va vinculada a la carcasa del motor eléctrico de impulso, por lo general se construyen hasta potencias de 15 hp, poseen buena accesibilidad mecánica ya que en general puede desmontarse la voluta completa quedando expuesto el rodete solidario al eje motriz.
Bomba de doble aspiración: Este tipo de bombas son del tipo cámara seccionada, con la diferencia de que el rodete de éstas aspira por ambos costados de él, esto implica que en dimensiones parecidas este tipo puede impulsar mayores caudales que las de simple aspiración, este tipo de construcción es utilizado para bombas de gran capacidad. Bomba axial: Denominadas así porque el fluido circula en la dirección del eje motriz de la bomba en la zona de aspiración y parte de la zona de impulsión, son equipos para impulsión de grandes caudales a bajas alturas manométricas, normalmente usadas para riego, drenaje de grandes exclusas, etc. El rodete posee forma de hélice en algunos casos de cruce variable. Bomba horizontal de múltiples etapas: Construidas para impulsar caudales pequeños – medianos a altas presiones (más de 300 atmósferas), poseen varias etapas de impulsión que operan a distintas presiones en orden ascendente hasta la boca de descarga ó impulsión. Normalmente usadas en alimentación de grandes calderas, sistemas contra incendio, etc.
Electrobomba sumergible: El cuerpo de bomba es muy similar al que poseen las del tipo para pozo profundo, la diferencia es que el motor de impulso va acoplado directamente al cuerpo de bomba y por lo tanto también sumergido en el fluido a bombear, esto requiere que dicho motor posea estanqueidad total, refrigerándose mediante el mismo fluido que lo rodea. La principal ventaja respecto de las de pozo profundo es que la perforación solo debe poseer el diámetro necesario para que pase la cañería de impulsión, mientras que para las de pozo profundo la perforación debe poseer mayor diámetro por la complejidad mecánica en el montaje del sistema de transmisión, interior a la cañería de impulsión.
Motobombas transportables: Conjuntos motor – bomba montados sobre un chasis que permite transportarlo a cualquier lugar donde se requiera, normalmente el motor de impulso es de combustión interna (nafta ó diesel), lo que les da independencia del suministro de energía, se fabrican en una amplia gama de capacidades, siendo de gran aplicación en tareas de emergencias como reparaciones en redes de agua ó cloacales, incendios, drenaje de derrames, etc.
Así a cada familia de bombas que sean geométricamente semejantes entre sí le corresponde un determinado valor (numero) de ns. Para bombas este número oscila de 35 a 1800 aproximadamente. En la práctica se utiliza este número específico para poder seleccionar el tipo de rodete más conveniente y el rendimiento máximo esperado, para ello se utilizan diagramas que muestran curvas de los rendimientos para distintos números específicos, determinados a partir de los parámetros de funcionamiento (n, Q, H).
TIPOS MAS COMUNES DE RODETES
Los rodetes impulsores se clasifican según la sujeción de los álabes al núcleo, así se distinguen 4 tipos de rodetes distintos. Rodete cerrado de simple aspiración: Las caras anterior y posterior del rodete forman una caja dentro de la cual se fijan los álabes, la cara anterior posee un orificio axial por el cual ingresa el fluido aspirado por el rodete al girar inundado. Rodete cerrado de doble aspiración: De construcción similar al de simple aspiración, pero en este caso ambas caras del rodete poseen orificios axiales para ingreso del fluido aspirado por el rodete. Rodete semiabierto de simple aspiración: En este caso el rodete posee solamente cara posterior, a la cual van fijados los álabes, realiza aspiración por la cara abierta en sentido axial. Rodete abierto de doble aspiración: Acá el rodete no posee cara anterior ni posterior, los álabes van fijados al núcleo del rodete que lo vincula al eje de impulso, realiza succión por ambos lados en sentido axial.
CEBADO DE LAS BOMBAS
Las bombas rotodinámicas no son autocebantes, a diferencia de las que funcionan basadas en el principio de desplazamiento positivo como las de émbolo, diafragma, etc. que si lo son. Las rotodinámicas funcionan a una velocidad n determinada basadas en la ecuación de Euler, esta ecuación expresa que la altura máxima de impulsión Hmax cuando el caudal es nulo (Q=0), es independiente de la densidad del fluido que impulsa la bomba, por esto si la bomba está llena de aire ó agua la altura máxima de impulsión será la misma. Si la bomba rotodinámica de agua con una altura teórica máxima de 100m, al funcionar con aire genera una diferencia de presión entre la sección de impulsión y la de succión que vale: ∆p = ρaire · g Hmax Si suponemos ρaire = 1,29 kg/m³ y Hmax = 100 m ∆p = 1,29 9,81 100 = 1.265,5 Pa que equivale a una columna de agua de: 1.265,5 / 1000 9,81 = 0,129m siendo esta la altura máxima a que subiría el agua por la tubería de aspiración Con este valor de diferencia de presión si la bomba debe impulsar agua como fluido, esta no puede succionarlo en esas condiciones (carcasa de bomba llena de aire ó no cebada). Si en cambio el fluido que inunda la carcasa de la bomba es agua, la diferencia de presión que se genera entre las secciones de succión e impulsión es: ∆p = 1000 kg/m³ ·9.81 100 m = 981.000 Pa o una columna de agua: 981000/ 1000 9,81 = 100m
Con esta diferencia de presión la bomba puede succionar sin problemas el agua. Finalmente de lo expuesto se desprende que las bombas rotodinámicas deben poseer su carcasa y tubería de aspiración inundadas con el fluido a impulsar, esto se conoce como “estar cebadas”. ECUACIÓN FUNDAMENTAL DE LAS TURBOMÁQUINAS O ECUACIÓN DE EULER Grafica de velocidades sobre un álabe c 1 : velocidad absoluta de una partícula del fluido a la entrada del álabe. n : velocidad de giro del rodete en rpm. u 1 : velocidad circunferencial del rodete en el punto (1) u 1 = π·D1·n / 60 w 1 : velocidad del fluido en la entrada del álabe relativa a este. De la mecánica del movimiento relativo tenemos: w̅ 1 = c̅ 1 – u̅ 1 Si la tangente al álabe en punto (1) coincide en dirección con la del vector w̅ 1, entonces la partícula ingresa sin chocar contra el álabe, siendo guiada por este hasta salir del mismo con una velocidad relativa w̅ 2 , tangente al álabe en el punto (2). Componiendo las velocidades tenemos la velocidad absoluta de salida:
l 1 = r 1 cos α 1 y l 2 = r 2 cos α 2 luego reemplazando M= Q·ρ(r 2 ·c 2 cos α 2 – r 1 ·c 1 cos α 1 ) Suponiendo que no existen pérdidas en el conjunto motor – bomba, entonces este momento M coincide con la cupla motora del motor de impulso (toda la energía del eje motriz se transmite al fluido). Así si multiplicamos por la velocidad angular de rotación del rodete (ω), tendremos la potencia que se transmite íntegramente al fluido (sin pérdidas). Pu= M·ω (W) Pu = Qρω (r 2 c 2 cos α 2 - r 1 c 1 cos α 1 ) ω= 2πn / 60 (rad/seg) M: Nm Por otro lado: Llamando Yu al incremento de energía específica que el fluido experimenta en su paso por la bomba, o sea de energía por unidad de peso del fluido (J / kg) 1J= 1Nm= 1W/s= 1,019 Kgm Yu = g Hu Si G es el caudal másico que atraviesa el rodete, este transferirá al fluido una potencia: 1J=1Nm= 1kg m/s² m= 1kg m²/s² con G = Q ρ Yu = g Hu Pu(W) = G (kg/s) Yu (J/kg) = Q(m³/s) ρ(Kg/m³) g(m/s²) Hu(m) A Hu se la denomina altura equivalente a la energía intercambiada en el fluido. Yu (m²/s²) = Yu (J/Kg) = Hu (m) g (m/s²) Igualando ambas expresiones de la potencia : Q ρ Yu = Q·ρ·ω(r 2 ·c 2 cos α 2 – r1·c 1 cos α 1 ) Si tenemos: u = πDn / 60 y ω = 2πn / 60 r 1 ·ω= u 1 r 2 ·ω= u 2 c 1 cos α 1 = c1u c 2 cos α 2 = c2u
c1u y c2u: componentes tangenciales ó circunferenciales del las velocidades absolutas a la entrada y salida del rodete respectivamente. Reemplazando estas igualdades en la ecuación anterior y simplificando Yu = u 2 ·c2u – u 1 ·c1u Ecuación de Euler para bombas, ventiladores y turbocompresores. Esta expresión da el incremento energía específica comunicado al fluido por el rodete impulsor (J/kg o m²/s² en el SI), a estas máquinas donde el rodete imparte energía al fluido se las denomina máquinas generadoras. Si fuese el fluido el que transmite energía al rodete (turbinas hidráulicas, de vapor ó de gas), se las denomina máquinas motoras. Si deseara deducir la ecuación de Euler para máquinas motoras , se procedería de igual forma, pero ahora sería el fluido el que ejerce el incremento de energía específica sobre el rodete, por lo que los segundos miembros de las ecuaciones antes deducidas cambiarían de signo. Yu = u 1 ·c1u – u 2 ·c2u (m²/s²) SI Ahora Yu ya no sería la energía específica que el rodete entrega al fluido sino la que entrega el fluido al rodete. Primera forma de la ecuación de Euler (expresión energética) Yu = ± (u 1 ·c1u – u 2 ·c2u) (m²/s²) SI Signo + para máquinas motoras Signo – para máquinas generadoras Si ahora reemplazamos Yu (m²/s²) por g (m/s²) Hu (m), tenemos: Primera forma de la ecuación de Euler (expresión en alturas) Hu = ± (u 1 ·c1u – u 2 ·c2u) / g (m) SI En esta ecuación el signo + corresponde a las máquinas motoras (turbinas), el signo - corresponde a las máquinas generadoras (bombas, ventiladores, turbcompresores).
