1 ' ' •• FACULTAD DE INGENIERIA U.N.A.M. DIVISION DE EDUCACION CONTINUA C U R S O N O. 15 1 9 9 4 DR RICARDO CHICUREL UZIEL INVESTIGADOR (tlECANICA. TERtliCA Y FLUIDOS) INSTITUTO DE INGENIERIA. UNAtl CIRCUITO INTERIOR . CIUDAD UNIVERSITARIA COYOACAN 04510 tlEXICO D F' 622 33 24 '·' DIREcrüÍUO DE PROFESORES , .. SELECCION Y APLICACION DE EQlJIFDS DE BOt1BEO PARA FLUIDOS DIVERSOS 23 Y 24 DE MARZO DE 1994 ING. JOSE LEON GARZA DIREcrüR GENERAL Y FABRICACION EN INGENIERIA. tlECANICA, S.A. PERIFERICO ORIENTE 4873 COL ARENAL TEPE PAN. Tf.ALPAN 14610 tlEXICO D F 673 01 05 673 03 30 í
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Transcript
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FACULTAD DE INGENIERIA U.N.A.M. DIVISION DE EDUCACION CONTINUA
C U R S O N O. 15 1 9 9 4
DR RICARDO CHICUREL UZIEL INVESTIGADOR (tlECANICA. TERtliCA Y FLUIDOS) INSTITUTO DE INGENIERIA. UNAtl CIRCUITO INTERIOR
. CIUDAD UNIVERSITARIA COYOACAN 04510 tlEXICO D F' 622 33 24
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DIREcrüÍUO DE PROFESORES , .. SELECCION Y APLICACION DE EQlJIFDS DE
BOt1BEO PARA FLUIDOS DIVERSOS 23 Y 24 DE MARZO DE 1994
ING. JOSE LEON GARZA DIREcrüR GENERAL DISE~O Y FABRICACION EN INGENIERIA. tlECANICA, S.A. PERIFERICO ORIENTE 4873 COL ARENAL TEPE PAN. Tf.ALPAN 14610 tlEXICO D F 673 01 05 673 03 30
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DIRECTORIO l>E AWMNOS
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15 A) SELECCION Y APLICACION DE EQUIPOS DE BOMBEO PARA Ft.UJDOS .DIVERSOS 23 Y n DE MARZO DE 199 ••
1.- ANGELES NAVA SALVADOR ING. QUIMICO IMPt;JLSORA INDUSTRIAL DE INGENIERIA ACAPULCO No. 36 7° PISO COL. ROMA C.P. 06700 TEL. 2 11 00 25
2.- BAUTISTA FRAGOSO SAUL ING. PETROLERO COMISION ESTATAL DE AGUA Y SANEAMIENTO JEFE DE DEPARTAMENTO ., 3a. AVENIDA S/N COL. EVOLUCION C.P. 57700 EDO. MEXICO TEL. 7 65 67 88
3.- CONTRERAS AHUJA LORENZO INGENIERO SERVICIOS HIDROAGRICOLAS GERENTE Í FRAMBOY ANTES No. 103 COL. TRINIDAD DE LAS HUERTAS e. P. 682oo TEL. 6 85 36
4.- CONTRERAS CALJXTO FEDERICO EMPAQUES DE CARTON UNITED S.A. DE C.V. MECANICO INDUSTRIAL ETZATLAN No. 25 A. COL. POPULAR RASTRO TEL. 7 89 90 88
5.- CHAVEZ NARANJO DAVID CONSTRUCTORA GRUPO CONTEC S.A. DE C.V. JEFE DE PROYECTOS Y CONST. VICENTE GRO. No. 25 COL. 15 DE AGOSTO C. P. 07050 TEL. 7 57 6.0 26
6.- DIAZ ALTAMIRANO MARIO CERRADA DE CHOPO No. 28 COL. VIVEROS XALOSTOC C.P. 55340 TEL. 7 55 60 54
7.- FLORES LOPEZ DOMINGO SMURFIT CARTON Y PAPEL DE MEXICO S.A. DE C.V. SUPERVISOR MANTENIMIENTO PREVENTIVO JAIME BALMES No. 11 TORRE "D" COL. LOS MORALES, POLANCO
8.- GARCIA GARCIA JACINTO MAQUINARIA BOMBAS Y CONTROLES S.A. DE C.V. GERENTE DE VENTAS OTE. 184 No. 269-1 COL. MOCTEZUMA 2a. SECC. C.P. 15500 TEL. 7 85 24 38
10.- GOMEZ MAYA JOSE LUIS ING. IND. EN ELECTRICA IMASA S.A. DE C.V. INGENIERO DE FACILIDADES DE PLANTA ORIENTE 162 No. 330 COL. MOCTEZUMA C.P. 15500 TEL. 7 85 33 22
11.- MEDINA MORENO JOSE DE JESUS EQUIPOS Y PROYECTOS S.A. DE C.V. DIRECTOR GENERAL. DIAGONAL DE SAN ANTONIO No. 938 COL. DEL '17 ALLE C.P. 03100 TEL. 6 58 57 81
12.- MORA RIOS ANGELES CIUDAD UNIVERSITARIA ING. MECANICO ELECTRICISTA FACULTAD DE INGENIERIA TEL. 6 22 08 81
13.- MOLINA GONZALEZ EUSTACIO . SMURFIT CARTON Y PAPEL DE MEXICO S.A. DE C.V. SUPERVISOR DE MANTENIMIENTO MECANlCO JAIME BALMES No. 11 TORRE "D" COL. LOS MORALES, POLANCO
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14,- NIÑO DE LEON ARTURO IMPOLSORA INDUSTRIAL DE ING. S.A. DE C.V. INGENIERO DE PROCESO ACAPULCO No. 36. 7° PISO COL. ROMA e. P. 67oo TEL. 2 11 00 25
15.- PEREZ TEXTLE PEDRO COMISION FEDERAL DE ELECTRTClDAD RESIDENTE DE OBRA H. COLEGIO MILITAR 2120 COL. EMILIANO ZAPATA e. P. 80260 TEL. 138951
RAMIREZ SOTO JAVIER ING. ELECTROMECANrcO SMURFIT CARTON Y PAPEL DE MEXICO S.A. PLANEADOR DEL MANTENIMIENTO JAIME BALMES No. 11 TORRE "D" COL. LOS MORALES, POLANCO
18.- RAMIREZ TAPIA BALTAZAR
DE C.V.
SMURFIT CARTON Y PAPEL DE MEXICO S.A. DE C.V. MANTENIMIENTO JAIME BALMES No. 11 TORRE "D" COL. LOS MORALES, POLANCO
19.- TOKUN HAGA MELCHE FERNANDO REFACCIONES Y EQUIPOS INDUSTRIALES TOKUN HAGA S.A. DE C.V. GERENTE GENERAL AV. 5 Y CANAL DEL RISCO COL. RUSTICA XALOSTOC TEL. 7 67 24 25
20.- TOXKY LOPEZ GERARDO ENEP-ARAGON PROFESOR ASIGNATURA "A"
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21.- TORRES HERNANDEZ SERGIO IMPULSORA INDUSTRIAL DE INGENIERIA S.A. DE C.V. JEFE DE GRUPO CALLE ACAPULCO No. 36 COL. ROMA TEL. 2 11 00 25 EXT. 17
22.- VALERO DAVILA HORACIO DE JESUS MICHOACAN No. 181-201 COL. CONDESA C. P .. 06140 TEL.
23.- DE LA TORRE IBAÑEZ JAVIER ING. PETROLERO FACULTAD DE INGENIERIA UNAM. PROFESOR COL. COPI CCO TEL,.. 6 22 08 50
24.- ROJAS GUTIERREZ ALBERTO EUGENIO ING. PETROLERO FACULTAD DE INGENrERIA UNAM. PROFESOR COL. COPI LCO TEL. 6· 22 08 50
25.- PONCE TRINIDAD HECTOR PROYECTOS E INGENIERIA RUMER ING. DE PROYECTO VALLE DE MENENDERES 44 COL. SAN JUAN DE ARAGON TEL. 7 ~9 23 00
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FE C HA
Miércoles 23 Jueves 24
•
DIVISION DE EDUCACION CONTINUA CURSOS ABIERTOS
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SELECOON Y APLICAOON DE EQUIPOS DE BOMBEO PARA FLUIDOS DIVERSOS Del 23 al 24 de Marzo de 1994
HORARIO
16;00 a 20;00 hrs. 16;00 a 20;00 hrs.
TE M A
Bombas centrífugas y bombas de desplazamiento positivo
Aplicaciones de unas y otras
Características de las bombas centrífugas. Análisis fluidodinámico Relacion gasto presión. Leyes de similitud .
Cavitación y CNPS.
Bombas de d~splazamiento positivo. Tipos: de entranes externos, de estrella Cálculo de desplazamiento. Deslizamiento y eficiencia volumétrica. Pérdidas por fricción volumétrica.
Flujo en tuberías. Continuidad Ecuación de Bernou 11 i Pérdidas en tuberías en régimen laminar y turbulento. Pérdi.das en conexiones y válvulas.
Procedimiento de selección. Ej~mplos .
........ ·-Instalación, alineación y puesto en marcha.·
1
PROFESOR 1
Dr. Ricardo Chicurlel Uziel lng. José León ~a~za
EVALUACION DEL PERSONAL DOCENTE
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- -x w o oz Vlw 1- o z - '1-:::J w o <l: CURSO: Selección y Aplicación de, Equipo ...J w ::J
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de Bombeo para . Fluidos Diverso w <X: <l: - (.) w -o - ¿~l-o ...J
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FECHA: 23 y 24 de Marzo de 1994. z ~o 1- n:: <l: ...J 1-¿ ~::J z w -, z
<:{!-(/)(.) o LJ..>- ¿~g¡t ::J o W<l: (l_
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~ CONFERENCISTA
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1 Dr. Ricardo Chicuriel Uziel '
2 lng. , José León Garza •
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ESCALA DE EVALUACION : 1 o 10
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EVALUACIQN DE LA ENSEÑAi'IZA
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-su EVALUACION SINCERA NOS o <(<( u AYUDARA A MEJORAR LOS e::· o~ < -..e: e:: ow N PROGRAMAS POSTERIORES QUE <( zi- -Vl< _l DISEÑAREMOS PARA USTED. ::l_j < w~ u.w ::J o LE. o f->-f- c:::z u Selección y Aplicación _de Equipos a..w de < . Bombeo para Fluidos Diversos. z~ -w O
L!J ~o e: o e 23 y 24 de Marzo de u o-< 1994. <( e:: o N Oc; o - <o z < < C:::_J ~ v v u TEMA 0.:
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1 !Bombas centrífugas y bombas de de~ ~~rlmi¡mto. P,?~itivo. ·
2 cte~s¡¡~,:a.s 1fl J~s boc¡b.as ,fr~g . ' -. c~n\~[ s, n 1srs u1 odm m1co,si~hriu gasto presión, Leyes de
2.- Medio de comunicación por el que se enteró del curso:
PERIODICO EXCEISIOR PERIODICO.NOVEDADES ANUNCIO TITULADO DI ANUNCIO TITULADO DI ·FOLLETO DEL CURSO. - -VIS ION DE EDUCACION VIS ION DE EDUCACION CONTINUA CONTINUA ··· ..
( ) ( ] - [ 1 CARTEL MENSUAL RADIO UNIVERsiDAD COI1UNICA_CION CARTA,·.
. - ·, .... 3.- de transporte utilizado para venir al de M~ner1a:
..
AUTOMOVIL METRO OTRO MEDIO Pl\BT~!:;ULAR e J ( J ( )
r . .- .. 4.- l()ué cambios haría en el programa para tratar de perfeccionar
. el curso?· ...
. ,
.. .· . ·,•' '• --..
5.~ ¿Recomendaría el curso a otras · Parsorlas? (. ) SI ( .. . )No
.. .'\
e 5.a.lQué periódico lee con niayo_r .frecuencia?· .. . .
. ..
' . ,
.. . .
5
6.-' lQué cursos le gustaría que ofreciera la División de Educación Continua?
..
7.- La coordinación académica foé:
EXCELENTE BUENA REGULAR MALA
1 1 . 1 1 1 1 l 1
• .
-8.- Si está interesado en tomar ~lgúri curso INTENS!VO lCuál es el horario más
conveniente para usted?
LUNES A VIERNES LUNES A LUNES: 1\ MIERCOLES MARTES y JUEVES DE 9 a 13 H. y VIERNES DE Y VIERNES DE DE 18 A 21 H. DE 14 A 1 B H. 17 a 21 11. 10 A 21 H. (CON COMIDAD)
1 1 D D D VIERNES DE 17 A 21 H. VIERNI?.S DE 17 11 21 H. OTRO S/\Dl\005 DE 9 1\ 14 H. Sl\B11005 DE 9 11 13 H.
-··· ·., .. DE 14 11 1 o 11. . '.l
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' :·:~~\:i;::>h. 1 1 - , .1 ......... 1 1 1
- . 9.- ¿Qué servJ.cJ.os adicion<>.les dcscniíil que tuVieS-e liJ. División de Educación
Continua, para los asistentes? '-''-". ' "; , .. ..
. . . ..
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10.- Otras :sqgerencias:
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FACUL TAO DE INGENIEAIA U.N.A.M. DIVISION DE EDUCACION CONTINUA
CURSOS ABIERTOS.
SELECCION Y APLICACION DE EQUIPOS DE BOMBEO PARA FLUIDOS DIVERSOS.
BOMBAS CENTRIFUGAS Y BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO.
DR. RICARDO CHICUREL UZIEL.
Palacio de Minería Calle de Tacuba 5 Primer piso Deleg. Cuauhtémoc 06000 México, D.F. APDO. Postal M·2285 Teléfonos: 512-8955 512·5121 521·7335 521-1987 Fax 51Q-0573 521-4020 AL 26
BOMBAS CENTRIFUGAS Y BOMBAS DE DESPtAZAMIENTO POSITIVo----------
Características generales
Existen dos grandes categorías de bombas: centrifugas y de desplazamiento . positivo. En las primeras, se genera un diferencial de presión por efect~ d1námico debido a la rotación del fluido impartida por un impulsor. Así, se establece un grad1ente de presión en la dirección radial resultante del campo de fuerzas centrífugas d1stribuidas en el líquido. Cabe mencionar que las bombas de flujo axial, o de hélice ("propeller"), se clasifican generalmente como centrifugas aunque en ese caso el gradiente de presión se produce en dirección axial por efecto de la reacción entre las aspas de la hélice y el fluido. La presión entregada por las bombas centrífugas depe~ de fuertemente de la velocidad de operación.
en las bombas de desplazamiento positivo, la succión y la descarga del flui do se producen por cambios volumétricos de cámaras o espacios confinados. La succión corresponde a un incremento de volumen y la descarga a una redu~ ción. El ejemplo que mas claramente ilustra esta acción es el de las bdWbas de pistones. El gasto que entrega una bomba de desplazamiento positivo ~n principio es proporcional a la velocidad de operación e independiente de la presión; sin embargo, debido a fugas internas, dicha relación no se cumple estrictamente.
Aplicaciones de las bombas centrifugas
Las bombas centrífugas tienen el atractivo de ser muy sencillas y de no tener partes sujetas a rozamiento. Por otro lado, deben operar a velocidades relativamente altas para generar suficiente presión, lo cual l1mita su uso al bom beo de fluidos de baja viscosidad. En general se uti !izan para presiones bajas: menos de 50 metros de columna, aunque en tamaños grandes o bi~n cuando se incorporan varias etapas, se pueden obtener presiones considerablen¿;¡te ;n~
yores .. Las bombas centrífugas se acoplan directamente a un motor sin requerir reductor de velocidad.
•
Aplicaciones de las bombas de desplazamiento positivo
Existe una gran variedad de máquinas de desplazamiento positivo para aplicaciones muy diversas en las que las bombas centrifugas no sonadecuadas como, por.ejemplo, para presiones relativamente altas, para manejo de fluidos viscosos o abrasivos, y cuando se requiere una dosificación precisa. Algunos tipos de bombas de desplazamiento positivo son: de pistones, de engranes externos, de engrane interno, -de paletas, de tornillo, de lóbulos, de estrella, de cavidad progresiva, de rotor flexible y de diafragma. De las anteriores, las de -pistones se utilizan para las presiones mas altas, como las empleadas en los sitemas hidráulicos de potencia, y también para dosificación.
Las de engranes se utilizan extensamente en las industrias de proceso, prefiriéndose las de angrane interno para fluidos de mas alta viscosl dad y las de engranes externos para presiones mas elevadas. Las bombas de estrella, introducidas recientemente al mercado, compiten pri~ cipalmente con las de engrane interno. Las bombas de tornillo están generalmente indicadas para viscosidades medias y gastos altos y se -utilizan ampliamente en la industria petroquímica. Lo anterior da
2
una idea de algunas de las aplicaciones de las bombas de desplazamie~ 1¡
to positivo sin pretender una presentación exhaustiva del tema .
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BOMBA CENTRIFUGA DE DOBLE SUCC!ON
---~ ·- -. -,:¡,;--
BOMBA CENTRIFUGA DE CUATRO ETAPAS
4
o ~ Descarga Su'cciOn
DIAGRAMA ESOUEMATICO DE UNA BOMBA DE ENGRANES EXTERNOS
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DIAGRAMA ESQUEMATICO DE UNA BOMBA DE ENGRANE INTERNO
Succión Descarga
u BOMBA DE ENGRANE INTERNO CON UN DIE N lE DE DIFERENCIA
Succión
Estrella
Saques de Alivio
Descarga < 1
Pasaje rte Bombeo o
----
Eie de la Estrella
Succión
<
DIAGRAMA ESOUEMATICO DE UNA BOMBA DE ESTRELLA
Descarga Descarga
BUMBA DE PALETAS BOMBA UE LUBULOS
BOMBA DE TORNILLO
S
Succión
Embolo
BOMBA DE CAVIDAD PROGRESIVA
Válvula de alivio
Fluido hidráulico
Válvula purga
Válvula de 11 e nado
BOMBA DE D!AGKAGMA
Succión
~OMBA Dt ROTOR FLEXIBLE
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BOMBA PERISTALTICA
CARACTERISTICAS DE LAS BOMBAS CENTRIFUGAS Máquinas homólogas
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Dos bombas geométricamente similares, tales que las velocidades del fluido en puntos correspondientes tengan la misma dirección y sus magnitudes tengan una razón constante, son homólogas.
Sea o una dimens'ión caracteristica de la bomba (por ejemplo, el diámetro del impulsor),
N la velocidad de rotación, H la presión generada por la bomba (convertida a carga en
metros u otra unidad de longitud), Q el gasto volumétrico.
Entonces, para bombas homólogas, las aceleraciones del fluido en puntos correspondientes se relacionan de la siguiente manera:
a a AV/Ata NO/ (0/ND) = N2D
La relación de las fuerzas inerciales es:
y la de las fuerzas resultantes de la presión:
La razón F•/F, debe ser constante: 1
lo que equivale a:
Para el gasto se tiene:
La potencia hidráulica es proporcional al gasto y a la carga:
P a QH a ND3 (N2D2 ) jg = ( 1/g) N3Dl
Para condiciones homólogas, las eficiencias son aproximadamente iguales.
Para que se cumplan estrictamente las condiciones de homologia, debe existir similitud de fuerzas de tipo viscoso. Sin embargo, éstas son generalmente despreciables en el caso de las bombas centrifugas.
8
FLUJO EN TUBERIAS
Ecuación de Bernoulli
· La ecuación de Bernou'lli expresa el balance de energia a lo largo de una linea de corriente. Para derivarla, se considera un tubo de área de sección muy pequeña a lo largo de la linea de corriente. Se suponen condiciones de estado permanente.
z2 p V A z
2
= = = =
presión velocidad área de la sección transversal elevación con respecto a un ni vel de referencia.
Haciendo referencia a la figura, las fronteras 1 y 2 avanzan en un tiempo unitario las distancias V1 y V2 respectivamente. En ese
·mismo tiempo, las fuerzas debidas a la presión realizan el trabajo neto p 1A1V1 - p-¡AzV2 , el cual debe ser igual a la suma de los incrementos en energia potencial y cinética mas la pérdida por fricción en la longitud del tubo por unidad de tiempo, w:
Como consecuencia de que ],os incompresibles, se tiene que A1V1 = dividiendo entre -yA1V1 , reacomodando
liquides son practicamente A2V2 • Usando esta relación, términos y recordando que
¡
9
p = -y/g, se obtiene la ecuación de Bernoulli en la siguiente forma:
donde h es la pérdida de energia por unidad de peso del liquidQ que fluye.
La ecuación anterior es válida estrictamente para una linea de corriente, pero si se integra cada término sobre el área de la. sección transversal de un tubo, se obtiene una ecuación de igual forma, excepto que los términos correspondientes a la energia cinética llevan un coeficiente a que depende de la distribución de la velocidad en la sección transversal. En ese caso, V representa la velocidad promedio en la sección. Cuando el flujo es laminar (libre de oscilaciones transversales a la dirección del flujo), a = 2 .· Para flujo turbulento (no laminar), a tiene valores ligeramente mayores a la unidad pudiéndose usar la aproximación a = 1.
Si un tramo de tuberia incluye una bomba, la ecuación de Bernoulli debe modificarse añadiendo un término, E, que representa la energia hidráulica entregada por la bomba por unidad de peso del liquido que fluye, o sea:
( 2) ¡. 1
Como caso particular, si las secciones 1 y 2 se toman respectivamente en la succión y descarga de la bomba, z 1 = z2 •
Suponiendo también que los diámetros de las lineas de succion y de descarga son iguales, V1 = V2 • Además, h = o, pues h representa la pérdida en la tuberia, que en este caso no aparece entre las secciones 1 y 2. Por lo tanto,
E = (Pz - Ptl h = llp/-y (3)
Calculo de pérdidas en tuberias
Las caracteristicas del flujo de un liquido en una tuberia dependen fuertemente de la importancia relativa de las fuerzas inerciales y viscosas. El número de Reynolds es proporcional a la razón entre estos dos tipos de fuerzas, y se define como:
R = DVpf¡.¡
donde D = diámetro interior de la tuberia V = velocidad promedio del flujo p = densidad del fluido
(4)
10
~ = viscosidad absoluta del fluido.
R es adimensional. Las unidades de D, V, p, y ~ deben seleccionarse en forma consistente. Por ejemplo:
D en cm, V en cm¡seg, p en gmfcm3
~ en gmfcm-seg (poise)
Para valores pequeños de R (<2000 aproximadamente), el flujo es laminar. Para R>2000, el flujo se convierte en turbulento. Cabe hacer notar que no existe una transición bien definida.
Para calcular la pérdida, h, en una tuberia, se introduce el factor de fricción, f, que se define por medio de la siguiente ecuación:
h = f (L/D) (V2f2g) (5)
Para flujo laminar se demuestra, por medio de un análisis debido a Poiseuille, que f = 64/R. Para flujo turbulento, f depende no sólo de R, sino también de la rugosidad relativa del tubo, ~/D, donde ~ representa la altura de las asperezas de la superficie interior del tubo.
Los siguientes son valores representativos de ~ para diferentes materiales:
concreto: hierro gris: acero comercial: tubo estirado en frie:
.001-.01
.00085
.00015
.000005
Para obtener f en función de R y ~/D, generalmente se emplea una gráfica conocida como diagrama de Moody.
Cálculo de pérdidas menores
Además de la pérdida por fricción en tramos de tubo, se presentan pérdidas localizadas en conexiones como codos y reducciones, y válvulas, las cuales deben agruparse en el término h. Estas pérdidas se expresan como:
Para una reducción, el valor de V que se usa en la fórmula anterior corresponde al diámetro más pequeño. En ese caso K varia de 0.5 a o cuando la razón de diámetros varia de o a l. En el caso inverso de una expansión, la variación correspondiente de K es de 1 a o, suponiendo nuevamente que V es la velocidad en el tramo de tubo de menor diámetro.
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)
Los siguientes son algunos valores aproximados de K:
codo, 90° codo, 45° válvula de globo válvula de compuerta
0.9 0.4
10 0.2
i . 1
11
H,
P,
r¡
metros
hp
35
H 30 100
25 80
20 60
15 Eficiencia 40
10
5 20
o o o 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Q, gal/min
Curvas características típicas de una bomba centrífuga a velocidad constante
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PROBLEMA 1
Se requiere bombear 75 lts/min de jabón neto.
Las propiedades del fluido y condiciones de bombeo son:
La rotación de la bomba es en el sentido de las manecillas del reloj
( salvo que se indique lo contrario ) vista desde el cople. La rotación -
del motor se debe verificar con el acoplamiento desconectado.
Puesta en Marcha.
Antes de poner en marcha la bomba se recomienda introducir algo de líqui-·
do en la descarga de la bomba para asegurar que el elemento rotativo no -
está seco.
í
- 7.4-
FACUL TAO DE JNGENIEAIA U. N. A.M. DIVJSION DE EDUCACION CONTINUA
ESTUDIOS E INVESTIGACIONES·
RECIENTES
La Bomba de Estrella: Una Nueva Alternativa para el
Manejo de Combustiblés
ING. RICARDO CHICUREL U: ING. ROBERTO RESENDIZ N:·
•Instituto de ·lngenierra, UNAM . .. Diseno y Fabricación en lngenierfa Mecánica, S.A.
78
· 1. PROLOGO
El trabaJO que se presenta en este documento ttene su origen en una idea conceb1da por R_ Chtcurel en 196 7. Se trataba de un mecantsmo para una bomba h1drElulíca de desplazamiento pOSittvO que proporCIOnaba una descarga sin fluctuaciones y. cuyas dos partes móviles. que a traban a veloctdad constante. podían ser maqumadas con herramientas de t1p0 universal. como torno. fresadora. taladro. Se construyó en ese entonces un protottpo para demostractón del concepto. pero no se sigutó adelante con su desarrollo por dos mottvos. El primero es que el mecantsmo era ial que se requeria una d1mensión radial mucho mayor que la axial. lo cual repercutía en ¡::erdtdas de fricción altas. así como fugas internas exces1vas para un dado gasto; es decir. bajas efiCienciaS de potencta y volumétr1- . ca. El otro motivo fue el descubrimiento de la patenle de Foster [ref 1] que presenta un concepto muy parecido. y en el cual se resolvia el problema de la desproporción entre las dtmensiones radial y axial. aunoue complicando considerablemente el mecanismo ya que introducía tres partes móviles adicionales.
En 1979 surgió una 1dea que. además de permitir una reducción drástica de la dimens1ón radial de la bomba. simplificaba el mecanismo original. El concepto modificado. cuya patente se encuentra en trámite. se describe en la sección "Principio de Operación··. Hacia fines de 1980 se construyó un prolotipo experimental de la versión nueva. mismo que fue demostrado a R. Resén· d1z. gerente general de la compañía Diseño y Fabricación en Ingeniería Mecánica IDYFIMSAI Se decid1ó entonces iniciar una colaboración entre los dos autores de este trabajo para desarrollar e industrializar la bomba.
De esta colaboración resultaron dos traba¡os publicados por la Aca· demia Nacional de Ingeniería [re!. 2 y 31
2.· PRINCIPIO DE OPERACION
A continuación se describe el funcionamiento de la versión actual de la bomba. Para ello se hace referen· cia al diagrama esquemátiCO de la fig. 1. Hay dos partes móv1les: el impulsor y ·la estrella. El primero. que es esencialmente un disco dotado de pernos. va integrado a una :•.~. ·:--.a Que es movida por un medio .; · :rno. Dicho impulsor mueve a su vez a la estrella mediante la acción de los pernos que penetran pe~iódicamente en unos escotes en la periferia de aquélla. Los escales. cuyo número es igual al de los pernos. son de forma de arco circular. Los e¡es del impulsor y la estrella son paralelos pero decenHados. Como puede aprec1arse. la estrella gira a la misma velocidad y en el mismo sentido que el1mpulsor. Al salir los pernos de los escotes de !a estrella. entran en un ··pasa¡e de bo.-:beo" en el cuerpo de la bomba y desplazan de esta manera al fluido que ahí se encuentra. provocando succión a la entrada del pasaje y elevando la presión a la salida. Cerca de estos puntos se encuentran respectivamente
· los orificios de succión v descarga
SAQUES
SUCCION
PASAJE DE 80MB
ESTRELLA PERNOS
en el cuerpo de la bomba. El gas lo teórico que entrega la bomba E:S igual a la veloc1dad de bamdo de volumen de un perno. que evidentemente no tiene fluctuac1ones
Los saques de alivio [f1g. lj11enen por ob¡eto evitar que (1uede fluido atrapado en una cámara de volumen var1able conf1nada por las super~ic1es de un perno. la estrella y la cavidad en el cuerpo Ce ·la bomba. Con ello se evtta la generac1ón de presiones altas que dan lugar a rut- · do y pérd1da de ef1C1er.c1a. Un fenómeno semejante ocurre en las bombas de engran~s pero en ese caso su eltmmac1ón es más difícil.
Las oroporctones de la bomba. así como el número de oernos.han sido selecc1onados con base en una optimactón en la que se maxlmtza el desplazam1ento [re!. 4] En el plan· teamiento del problema. se consi· deran como·variables de deCisión el radto de los pernos. la excentnCtdad entre impulsor y estrella. el radio de la estrella y el número de pernos. Las soluciones adm1s1bles deben satisfacer las s1guien;es feStrtCCIOnes: el ancho de la lunp [ver f1g. 11. así como el de los brazos Ce la estre· lla. deben ser no menbfes Ce lim1tes
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EJE DE LA ESTRELLA
EJE DEL IMPULSOR
==:> DESCARGA
LUNA
FIG. 1. PRINCIPIO DE OPERACION DE LA BOMBA
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especificados con base en la res1s· tencia mecánica requerida: los 1m· pulsos de los pernos sobre la estrella deben tener periodos de traslape. para que exista continuidad en la transmiSIÓn de par: y finalmente. debe existir tamb1én cont1nu1dad de sellaje en los contactos entre la per1· fena de la estrella y el cuerpo de la bomba. así como entre los pernos y dicho cuerpo.
3.- VENTAJAS DE LA BOMBA DE ESTRELL4
Las superfic,es sellantes en la bomba de estrella son planas. o bien cilíndricas-circulares. y pue· den maquinarse con m.3quinas he~ rram1entas de tipo universal. Esto contrasta con las bombas de engra· nes (ya sea engrane interno o engranes externos). las cuales. en ge-
. neral, requieren de máquinas especiales para el tallado preciso de los dientes. La poca disPonibilidad de tales máquinas en países en desarrollo hace. en ese caso. más significativa la diferencia.
Desde el punto de v1sta de operación.existen también ciertos atracti· vos de la bomba de estrella. Uno de ellos es aue no existe un par hidrostático resultante sobre la estrella. lo cual significa que la potencia. que debe rec1b1r Qel impulsor es solamente la suficiente para vencer pérdidas de íricc1ón. En cambio. en las bombas de engranes. aproximadamente la m1tad de la potencia que recibe el engrane impulsor debe transm1tirse al impulsado y de ahí al flu1d0. Ello implica la presencia de cargas considerables en los dientes. las cuales provocan desgaste.
Se menc1onó ya bajo ''Principio de Operac1ón". Que los saques de al1v1o lfig 1] en la bomba de estrella. ev1tan que quede fluido atrapado en una cámara de volumen. variable. Comparando nuevamente con las bombas de engrane. el problema correspondiente que se presenta en ese caso es más difícil de resolver y, de hecho. se deja sin resolver en las unidades de bajo costo.
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4.- BOMBEO DE COMBUSTIBLES
En el bombeo de combustibles se presentan en general dos areas de aplicac1ón: transferencia. y alimentación de quemadores de calderas. En el pr1mer caso. las prestones de operac1ón son relativamente bajas. del orden de 1 O kg/cm'.los gastos son altos. y las temperaturas baJaS. Como consecuencia de esto últHT•O. las VISCOStdade::¡ son relatiVamente altas. Todo lo anterior 1ndica que las condiCIOnes de operación para ac-11-caciones de transferenc1a no son partiCularmente se'.'eras En este campo se ha ten1Co éx1t0. La f1g. 2 es una iotografia de una un1dad cara bombeo de 1.325 1 /m1n de combustoleo operando a 1 7 50 RPM.
En el caso de bombas para al•mentactón d8 quemadores. las oresiones requertdas pueden exceder a los 20 kg/cm 2• v las temperaturas a 1 30eC. s1endo. por lo tanto. ba1as las viscosidades. Además los gastos son baíos tip1camente de 2-1 O 1 /min. lo que implica bombas pequeñas. Estas cond1c1ones hacen
más ddic1l lograr una efiCiencta volumétriCa sat1sfactona. Actualmente se trabaJa en el desarrollo de una famil1a de bombas para sattsfacer estas neces1dades. esperándose lograr este ob¡et1vo a corto plazo.
En '::;enera!. para bombeo de comous!tbie se están tomando en cuenta las norrnás contentdas en las espec!f¡cactones de Com1S1ón Federal ce Electr1C1dad oara bombas rotatortas.
Durante el desarrollo de bombas en tamaños grar.Ces para transfe.renc;a de combustibles. se oresentó el problema de' cav1tac1Ón en el lado de succtón. La soluc1ón cons1St1.ó en proporc1onar un área del onficio de succ1ón suftc1ente para mantener la veloc1dad del flu1do aba1o de 249 m/m1n: asi como de l1m1tar la veloedad l1r.eal de los pernos a 1324 m/m1n.
De esta manera. eiNPSH (net positlve ~uct10n head) requerido se mantiene dentro de los limites usuallT1en!e espe.Cii1cados.
La bomba de estrella perm1te un dtseño flex1ble .. pudténdose aJuStar la longitud de los oernos para obtener el desplazamiento que se desee.
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FIG. 2. BOMBA PARA COMBUSTOLEO DE 1325 1/min
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en forma continua. Se considera que los.límites en capacidad para estas bombas son de 0.5 a 5000 1/min.
5.- PERSPECTIVAS PARA EL FUTURO
Se considera que es posible la realización de un diseño de la bomba de estrella para servicio a presiones de más de 100 kg/cm'. Con ello se podrán cubrir aplicaciones en sistemas hidráulicos de potencia. Un paso intermedio para alcanzar esa meta es el que se esta llevando a cabo actualmente. consistente en la construcción de unidades para inyección de combustible en calderas.
También se realizará una investigación para determinar los materiales que se pueden utilizar en ·cada una de las partes de la bomba. en función de su aplicación. Para· presiones relativamente bajas se han usado esttellas de plástico laminado y Nylon con lo cual se ha logrado disminuir el nivel de ruido y prácti- · ca mente el1minar el desgaste de los pernos.
Se busca ya el mercado internacional en donde se tiene la· ventaja de ofrecer un diseño exclusivo. Para
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lograr ésto se considera muy importante reducir los costos mediante procesos automatizados de fabricación.
6.- RECONOCIMIENTOS
Se agradece a la Comisión Federal de Electricidad y a la Empresa DIBYASA. la aportación de datos e información complementaria para el desarrollo de este trabaJO. así como el señalamiento de nuevas aplicaciones a las que pueden ser ·destinadas las bombas en servicios en los que tradicionalmente se utilizan equipos de importación.
7.- REFERENCIAS
111 Foster. F.G .. et al ··Engine Pump, Meter. and The Like". Patente E.UA No. 2.1 24.140 Julio 1938.
121 Chicurel. R .. Reséndiz. R .. ··samba Rotatoria de Desplazamiento Positivo de Concepción Novedosa". Memoria VIl Congreso, Academia Nacional de Ingeniería. Oaxaca. Oaxaca. México. Septiembre 23-25. 1981. pp 333-336
131 Chicurel. R.. Reséndiz. R. "Una Comparación entre las
Bombas de Engranes y Una Bomba de Diseño Novedoso··. Revista de la Academia Nacional de lngen1ería. Vol 1. No. 1. Septiembr.e 1 981. pp. 64-78.
141 Chicurel. R. Reséndiz. R. ··optimized Design of a New Positive.Displacement Pump··. Publicación No. 82-DE- 18. The American Society of Mechanical Eng1neers. 1982. •
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FACULTAD DE INGENIERIA U.N.A.M. DIVISION DE EDUCACION CONTINUA
CURSOS ABIERTOS
CURSO # 15 SELECCION Y APLICACION DE EQUIPOS DE BOMBEO PARA FLUIDOS DIVERSOS.
MATERIAL DE APOYO BOMBAS DE TORNI~LO.
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· Palacio de Minería Calle de Tacuba 5 Primer piso Deleg. Cuauhtemoc 06000 Mexico, D.F. APDO. Postal M-2285 Telefonos: 512-8955 512-5121 521·7335 521·1987 Fax 510-0573 521·4020 AL 26
. ' INTRODUCCION
-----Eonscientes-de-la-imponancia-que-para-la-lndustria-tiene---racterizan-por-desplazanl-fuido-d.-trabajo-de-fonna-abso-o-----------contar con equipos OeJ.a máSalta cali(fild~teCñOlogia. confia:---¡utamente axiil a través dfcámciras con-finadas entre los
bies y de gran durabilidad: nos enorgullece ofrecer las bom· tomillos. los que les penniten ser eficientes. silenciosas y bas PIRAMIDE de desplazamiento positivo. de dos y tres con gran capacidad de succión. Estas características distin· tornillos, de tecnología y fabricación lOO% mexicana tivas pernliten a este tipo de bombas operar a velocidades
superiores a las de cualquier otro tipo de desplazamiento Las bombas de desplazamiento positivo tipo tornillo se ca- positivo. redundando esto en unidades más compactas.
CARACTERISTICAS GENERALES DE FABRICACION Las diferentes variantes de construcción que se ofrecen son los siguien.tes:
A) Por el tipo de succión: Succión sencilla ~Series TS) Succión doble !Series TD)
8) Por el número de tornillos De dos tornillos (Series DD) De tres tornillos (Series de TS y TD)
C) Por el tipo de lubricación Autolubricadas !Por el producto bombeado) Lubricadas externamente
Las bombas PI RAM IDE se fabrican en una gran variedad de materiales como fierro fundido. acero al carbón, acero inoxi· dable, hierro nodular. bronce, etc., -y en materiales sintéti· cos como el polietileno de alto peso molecular para el manejo de fluidos cOrrosivos; los cuales son susceptibles de com· binarse dependiendo de la aplicación especi!ica.
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VELOCIDAD
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PRESION DIFERENCIAL
COBERTURA Las bombas PIRAMIDE cubren un amplio espectro de capacidad, viscosidad, velocidad y presión, así como excelentes condiciones de succión, como se puede apreciar a continuación. •
Capacidad: 1 a 7500 GPM. Viscosidad: Hasta 500,000 SSU. Velocidad: Hasta 3600 RPM. Presión: Hasta 3000 PSIG.
* Para aplicaciones que excedali dichos valores favor de consultar con la Planta.
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BOMBA DE 3 TORNILLOS SUCCION SENCILLA
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APLICACIONES Carga y dcsc,nga di.! barco~
Nombre 'Ref. Nombre
TAPA 8 CAMISA • • RETEN 9 TORNILLO DE TRABAJO GRASERA • 10 TORNILLO DE SELLO. SEGURO ' 11 BALANCE HIDRAULICO • RODAMIENTO 12 CONJUNTO DE SUCCION SOPORTE SELLO MECANICO 13 AROSELLOS RODAMIENTO 14 SELLO MECANICO CARCAZA
• SE UTILIZAN PARA PRESIONES SUPERIORES A 10 Kg/cm2
• • SOLO PARA TAMAÑOS SUPERIORES A 100 gpm
LIOUIDOS: • COMBUSTO LEO
• DIESEL
• GRASAS
• FLUIDOS HIDRAULICOS
• MELASAS
• MIELES
• JARABES
• PINTURAS
• RESINAS
• ASFALTOS
• EMULSIONES
• POLIMEROS
• CERAS
• TINTAS
• REFRIGERANTES
• ACEITES DE TODOS TIPOS
• SHAMPOO * P,na otras apliéacioncs lavar de consult~r a la pl.:1.nla.
?,~ nonnas nacionales e internacionales de mayor reconocimien- American Society of Mecha.nical Engineers (ASME) .... to entre las que se encuentran: American Society for Testing and Materials (ASTM)
American lron and Steellnstitute (AISI) Normas de Comisión Federal de Electricidad American Gears Manufacturers Association (AGMA) Normas ~.h: Pt!tróieos Mt!xicanus American National Standars Institute (ANSI)
GARANTIA Y RESPALDO OUE SE OFR_ECE Como norma todas y cada una de las bombas PIRAMIDE salir de fábrica. se someten a rigurosas pruebas hidrostáticas y de compor-tamientu asi ..:amo a un estricto control de calidad anfes de • La garantía de los equipos es igual a la Internacional ( 12-18 meses}
BOMBA DE 3 TORNillOS DOBLE SUCCION -
' ..J.L
Ref. Nombre 1 TAPA 2 RETEN" 3 SEGURO 4 RODAMIENTO 5 SELLO MECANICO s· J' SOPORTE SELLO MECANICO
. . RODAMIENTO 7 CARCAZA
Las bombas de Tornillo P!RAMIOE (de diseño y fabricación 100 % mexicana). son el resultado de la investigación y el desarrollo Tecnológico que con apoyo del CONACYT, realizó la UNAM.
Re1 8 9 10 11 12 13
Nombre CAMISA TORNILLO DE TRABAJO TORNILLO DE'SELLO TAPA POSTERIOR SUCCION DESCARGA .. : 1
El objetivo de su fabricación es el de satisfacer la necesidad que tiene la industria nacional de contar con bombas de des-. plazamiento positivo de alta cóiifiabilidad en el manejo de fluidos viscosos.
¡· c.'-'--j .:._-11 -~-: ,·. ! - , LADO . 1\ x;;1. · · 1 A
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CONSTRUCCION Las ·combas DYFIMSA se construyen . bajo un rígido control de calidad · '· tanto de materiales ·como de precisión dimensionaL Los materiales utilizados en la fabricación son los adecuados a la · aplicación especifica, como por • .ejemplo hierro gris, acero inoxidable, · ··aceros al carbón etc. . · "··
INGENIERIA DYFIMSA A SUS ORDENES Si tiene algún requerimiento especial de bombeo que no se satisfaga con el equipo disponible en el mercado,-comuníquese con nosotros. , Tenemos la ventaja de originar nuestra tecnología, en vez de operar bajo licencias. Por eso, podemos realizar di senos bajo ,:-especificaciones del usuario en un plazo corto y proporcionarle asesoría técnica en cualquier momento.