Mdp 02 p-08 bombas de desplazamiento positivo

PDVSA N° TITULO

REV. FECHA DESCRIPCION PAG. REV. APROB. APROB.

APROB. FECHAAPROB.FECHA

BOMBAS

�1994

APROBADA

NOV.97 NOV.97

NOV.97 L.R.0 27 L.R.

MANUAL DE DISEÑO DEL PROCESO

MDP–02–P–08 BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

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MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO

BOMBAS DE DESPLAZAMIENTOPOSITIVO

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PDVSA MDP–02–P–08

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Indice1 ALCANCE 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 REFERENCIAS 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 DEFINICIONES 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 ILUSTRACIONES 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 BOMBAS RECIPROCANTES 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 NPSH 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 BOMBAS DOSIFICADORAS 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8 BOMBAS DE DIAFRAGMA 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9 BOMBAS ROTATIVAS 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10 BOMBAS DE TURBINAS REGENERATIVAS 15. . . . . . . . . . . . . . . . . .

11 VALVULAS DE ALIVIO DE LA PRESION DE DESCARGA 17. . . . . . .

12 NOMENCLATURA 19. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

http://www.intevep.pdv.com/santp

http://www.intevep.pdv.com/santp/mdp/indice_mdp.htm

http://www.intevep.pdv.com/santp/mdp/bombas/indice_bombas.htm

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1 ALCANCEEsta subsección presenta detalles adicionales acerca de otros tipos de bombasdiferentes de las centrífugas, que se aplican comúnmente en los servicios deplantas de proceso. Los tipos discutidos caen todos en la categoría dedesplazamiento positivo, con excepción del tipo de turbina regenerativa. Sólo sepresentan los puntos pertinentes al diseño de servicio que difierenapreciablemente de la práctica para bombas centrífugas.

2 REFERENCIASPrácticas de Diseño (aparte de los otros documentos de esta sección)

MDP–08–SG–01/05 Seguridad en el Diseño de Plantas

MID–PDVSA

GA–202 Bombas de Desplazamiento PositivoNB–212 Motores Electricos

Otras Referencias

Perry’s Chemical Engineers Handbook–Section on Pumping of Liquids and Gases

3 DEFINICIONESLa bomba rotativa es una bomba de desplazamiento positivo que suministrapotencia de presión al líquido por rotación de engranajes, tornillos, levas, algunostipos de émbolos, álabes, lóbulos o elementos similares (no impulsorescentrífugos) y produce un flujo esencialmente no pulsante.

El desplazamiento es la filtración de flujo en una bomba desde la zona de presiónde descarga de regreso hacia la zona de presión de entrada.

4 ILUSTRACIONESIlustraciones de tipo de bombas, estilos de construcción y nomenclatura decomponentes se pueden encontrar en “Perry’s Chemical Engineers’s Handbook,Section on Pumping of Liquids and Gases”. El apéndice de este documentocontiene ilustraciones complementarias.

5 BOMBAS RECIPROCANTESSituaciones de Aplicación

Las bombas reciprocantes se aplican en muy pocos servicios en plantasmodernas de proceso. Algunos ejemplos de situaciones en las que se aplican son:

1. Cabezal alto, con capacidades en el intervalo 0.06–1.3 dm3/s (1–20 gpm),en esta condiciones el alto mantenimiento de la bomba reciprocante dada se




http://www.intevep.pdv.com/santp/mdp/segurida/indice_segu.htm

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justifica por la baja eficiencia de la alternativa con una bomba centrífugaadecuada.

2. Remoción de condensado de tambor separador de chimenea, donde secombina manejo de vapor y caudal de flujo bajo.

3. Servicios de alimentación de carbamato y amonio a plantas de urea.

4. Bombeo de líneas en plantas de lubricantes para evitar solidificación durantela parada.

5. Fondos de alquitrán del fraccionador primario del craqueador con vapor,bomba de reserva alterna para flexibilidad a altas viscosidades.

Estilos de Construcción

Bombas de Vapor de Acción Directa – Este tipo de bomba consiste en unextremo cilíndrico para vapor en línea con un extremo cilíndrico para líquido, conuna conexión con barra recta entre el pistón de vapor y el pistón de la bomba o elémbolo.

Las bombas de vapor de acción directa se arreglan como unidades simples (uncilindro para vapor y uno para líquido) o dobles (doble de lado y lado). Lasunidades dobles normalmente se usan para capacidades mayores y para reducirlas pulsaciones de flujo por debajo de la de una simple. Las bombas dobles estáninterconectadas con válvulas de vapor de modo tal que un lado está bombeandocuando el otro lado alcanza el final de su embolada. Casi todas las bombas devapor son de diseño de barra y pistón y de doble acción, es decir, cada ladobombea en cada embolada. Por lo tanto, una bomba duplex tendrá 4 recorridosde bombeo por ciclo.

Las bombas de vapor de acción directa son aplicables a operaciones de capacidadvariable mediante el uso de una válvula de control en la línea de suministro devapor a la bomba.

Bomba de Potencia – Este tipo de bomba convierte el movimiento rotativo enmovimiento recíprocamente de baja velocidad a través de engranajes dereducción de velocidad, un eje de cigüeñal, barras de conexión y un cabezal decruce de recorrido. Este cabezal acciona los émbolos o pistones. Los extremospara líquido de las unidades de más baja presión y más alta capacidad tienen unaconstrucción del tipo barra y pistón, similar a la de las bombas de vapor de dobleacción. Las unidades de mayor presión son usualmente émbolos de una solaacción. Los tipos más comunes de este modelo usan tres émbolos. Con tres omás émbolos, la pulsación del flujo se reduce sustancialmente en comparacióncon la de las bombas simples y dobles.

Las bombas de potencia tienen una eficiencia alta y pueden desarrollar presionesmuy altas, comúnmente son accionadas por motores eléctricos, pero también son




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aptas para ser accionadas con turbinas. Con la construcción tipo émbolo, elempaque de la caja de estopera tiene el diámetro completo del émbolo.

Las bombas de potencia son costosas y raramente se justifica usarlas en lugar delas centrífugas con base en criterios de eficiencia, en servicios donde estas últimasse pueden usar. Este tipo de bomba con frecuencia se puede justificar sobre lasbombas reciprocantes de vapor en servicios de operación continuo debido a losrequerimientos altos de vapor de la bomba de vapor de acción directa (a menosque el vapor efluente sea valioso).

Número de Cilindros Paralelos – Consulte a los especialistas de maquinariaspara determinar si se debe usar una construcción simple, doble o triple, y si estedetalle se debe especificar.

Sensibilidad a la Viscosidad, Densidad, Sólidos

El caudal de flujo efectivo de bombas reciprocantes disminuye cuando laviscosidad aumenta debido a que la velocidad se debe reducir.

La presión diferencial generada por las bombas reciprocantes es, al contrario dela de las bombas centrífugas, independiente de la densidad del fluido. Dependesolamente de cuanta fuerza se ejerce sobre el pistón. Por lo tanto, si las bombasreciprocantes desarrollaran un aumento de presión de 3450 kPa (500 psi) con unadensidad de líquido de 500 kg/m3 (31lb/pie3), desarrollarán este mismo aumentode presión con una densidad de líquido de 1000 kg/m3 (62.4 lb/pie3). El cabezalpor supuesto se reduce a la mitad en este caso, sin cambio alguno en la capacidad.

Las bombas reciprocantes se aplican para servicios de lodos y suspensiones,donde otros tipos son inoperables o no confiables. Los requerimientos demantenimiento en estos servicios pueden ser altos debido al desgaste de laválvula, el cilindro, la barra y del empaque, pero la mayor confiabilidad que se lograjustifica su selección.

6 NPSHReducción de NPSHD Debido a Pulsación de Flujo – La pulsación de flujo a lolargo de la tubería de succión de una bomba reciprocante es acompañada de unaaceleración cíclica de la parte de líquido que se mueve en la tubería. La energíarequerida para esta aceleración reduce el NPSH disponible en la succión de labomba. El NPSHD se calcula en la misma forma que para las bombas centrífugasy para todos los tipos restantes de bombas, con la excepción que el cabezal deaceleración, Ha, se debe sustraer del valor calculado en flujo estacionario paraobtener el valor efectivo.

El flujo de la línea de succión con una bomba simple cambia desde cero flujo hastaaproximadamente un 125% de flujo promedio durante aproximadamente el 10%del ciclo de recorrido, después del viaje de regreso del pistón Émbolo. El líquido




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en la línea de succión debe por lo tanto ser acelerado en 0.1 segundos cuando unabomba se opera a 60 emboladas por minuto. A continuación se presentan lastolerancias para el cabezal de aceleración (en metros) para bombas simplesmanejando fluidos de viscosidad baja, las cuales están basadas en datos deprueba desarrollados por constructores de bombas reciprocantes.

Cabezal de Aceleración de Líquido en la Línea de Sección paraBomba Simple a 60 emboladas/min

Velocidad Promedio de

Línea de SucciónLongitud de la Línea de Succión, m

7.6m (25 pie) 15m (50 pie) 23m (75 pie) 30m (100 pie)

m/s pie/s m pie m pie m pie m pie

0.15 0.5 0.52 1.7 1.00 3.3 1.52 5.0 1.98 6.5

0.30 1.0 1.00 3.3 1.98 6.5 3.00 9.8 3.96 1.3

0.60 2.0 1.98 6.5 3.96 13 5.94 19.5 7.92 26

Use 40% de los valores anteriores para bombas de vapor dobles y bombas depotencia dobles y triples.

Multiplique los factores anteriores por el cociente del número de emboladas realespor minuto divididas por 60.

Para bombas de potencia, multiplique los factores anteriores por la relación de rpsreales divididos por 0.5 (rpm divididos por 30.)

La longitud de la línea de succión es en metros (pies) reales, no en longitudequivalente.

En la tabla anterior se evidencia que son necesarias líneas de succión cortas,dimensionadas para velocidades de flujo muy bajas para evitar grandesreducciones en el NPSHD debido al cabezal de aceleración.

Requerimiento de Bombas Cuando las bombas de vapor experimentancavitación, el movimiento reciprocante se vuelve errático debido al incrementobreve de velocidad y a la longitud irregular de las emboladas, “las emboladascortas”, las cuales a su vez hacen que el flujo se vuelva errático. Cuando lasbombas de potencia experimentan cavitación, la velocidad y la longitud de laembolada no se afectan significativamente, pero la formación intermitente devapor y las implosiones causan una operación mecánica ruidosa y accidentada;el caudal de flujo es errático y el caudal de flujo promedio disminuye. Es posibleoperar a esta condición por períodos prolongados, pero los requerimientos demantenimiento aumentan.

El requerimiento de NPSH de una bomba reciprocante incluye la pérdida depresión por fricción desde la brida de entrada hasta el cilindro y esta influenciadopor la velocidad del líquido a través de la válvula de succión, el peso de la válvula,




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y el resorte que da peso en la válvula. Un requerimiento de NPSH típico de unabomba reciprocante aplicada económicamente es 3.6576 m (12 pie).Requerimientos de 2.4 a 3 m (8 a 10 pie) también son posibles seleccionando unabomba más grande y de menor velocidad, de mayor costo, para obtener el áreade válvula adicional para una capacidad dada.

Las bombas de potencia normalmente operan a mayor velocidad que las bombasde vapor y con velocidad mayor en la válvula (debido al área limitada de la válvula),mayor carga del resorte de la válvula (para acción rápida) y mayoresrequerimientos resultantes de NPSH.

Presión de Descarga Máxima

Para el caso de la bomba de vapor de acción directa la presión máxima dedescarga es función del tamaño de los cilindros seleccionados para el líquido y elvapor y de la presión diferencial del vapor a través de la bomba:

�P de fluido máxima �

(Diám. del cilindro para vapor)2

(Diám. del cilindro para líquido)2x Diferencial de presión

del vapor máxima

Los diámetros de los cilindros para vapor se seleccionan del tamaño estándarinmediato superior con el resultado de que se pueden desarrollar normalmentepresiones en el extremo de líquido entre 130 a 150% de la presión diferencial deoperación a las condiciones de parada.

El �P máximo para el fluido se agrega a la presión de succión máxima para obtenerla presión de diseño del extremo del fluido.

Siempre se aplican válvulas de seguridad en la descarga de bombasreciprocantes para limitar la presión máxima de descarga. La válvula de seguridadse debe especificar en las especificaciones de diseño.

Capacidad de Flujo de Bombas

Selección del Modelo – Los modelos de bombas se seleccionan durante laingeniería de detalle para ajustarse al caudal de flujo nominal especificado. LaTabla 1 resume, para conocimiento del diseñador, los caudales de flujo de variostamaños y velocidades de bomba.

Control – Con una bomba de potencia, el control de la capacidad usualmente selogra recirculando el exceso de flujo no requerido en el circuito externo hacia lasucción. Si el flujo máximo requerido es mayor que el flujo normal, la bomba sedebe dimensionar para el flujo máximo. Normalmente se especifica que la bombase selecciona en base a eficiencias volumétricas no mayores del 90%. El controlde la recirculación se debe diseñar bajo la hipótesis de que la bomba puede operara 100% de eficiencia volumétrica cuando está en buenas condiciones.

El control de reciclo presenta dos problemas cuando la presión diferencial delservicio es muy alto:




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1. Falla de la válvula de reciclo en la dirección abierta expone el sistema desucción a un flujo de retorno a la presión de descarga.

2. La válvula de control del desvío tiende a ser de una abertura muy pequeñasusceptible a bloqueo y erosión.

Para evitar estos problemas, la velocidad variable debe ser considerada como unsistema de control alterno cuando el diferencial de presión es muy alto.

Requerimientos de Servicios

Eficiencia y Requerimientos de Potencia para propósitos de diseño de servicio, laseficiencias mecánicas de las bombas de vapor de acción directa se puedensuponer que sean los valores máximos especificados en la Tabla 2 del documentoMDP–02–P–02. Los estimados de eficiencia mecánica para bombas de potenciason los siguientes:

Potencia transmitida al flujo Eficiencia aproximada (%)

kW HP

Hasta 3.5 hasta 5 55

5.5 – 11 7.5 – 15 60

15 – 30 20 – 40 70

37.5 – 75 50 – 100 80

92.5 y más 125 y más 85

Tanto para las bombas de vapor de acción directa como para las bombas depotencia, se debe usar un factor de corrección de eficiencia mecánica de 0.9cuando la viscosidad excede 860 mm2/s (4000 SSU).

PF �

Q x �PF6 x 0.9 x EF. Mecánica Ec. (1)

donde:




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En unidadesmétricas

En unidadesinglesas

PF = Potencia al freno kW HP

DP = Aumento de presión en-tre la descarga y la suc-ción de la bomba

kPa psi

Q = Caudal de flujo volumétri-co a condiciones de ope-ración

dm3/s gpm

F6 = Factor que depende delas unidades usadas

1000 1714

Vapor para los Cilindros de Vapor – El diámetro del cilindro se puede estimar apartir de la Tabla 1 y de la Figura 1. El caudal de vapor se presenta en la Figura2.

Agua de Enfriamiento para Bombas – Los siguientes caudales sonaproximados:

Hasta 120°C (250°F), 0.06 dm3/s (1 gpm) (0.03 dm3/s (0.5 gpm) para cadaprensa–estopera) Por encima de 120°C (250°F), 0.3–0.6 dm3/s (5–9 gpm) (+0.13dm3/s (2 gpm) adicional por cada camisa de caja de estopera).

7 BOMBAS DOSIFICADORASGeneralidades

Las bombas dosificadoras son bombas de desplazamiento positivo diseñadaspara control preciso de caudales de flujo muy bajos. El rango de caudales de flujova desde 0.006 hasta 0.6 dm3/s (0.1 a 10 gpm). Algunos modelos estándisponibles para capacidades de hasta 2.2–2.5 dm3/s (35–40 gpm), pero no sonnecesariamente tan atractivas como los otros tipos disponibles. La precisión enel flujo se puede mantener en + 1.5%. El tamaño del accionador raramente excede3.5 kW (5 HP). Los sistemas de control para bombas dosificadoras se diseñan confrecuencia para controlar la relación o la proporción de aditivos inyectados en lascorrientes principales de flujo. Frecuentemente se llaman bombas“proporcionantes” y de “volumen” controlado.

Dos tipos de construcción se usan ampliamente: émbolo empacado y diafragma.El primero se arregla como una versión pequeña de una bomba convencional deémbolo de las grandes con la caja de estoperas expuesta al líquido bombeado.La segunda usa una barrera hidráulica de aceite entre el émbolo reciprocante yun diafragma impermeable que a su vez está en contacto con el líquido bombeado.Con este último estilo, la caja de estoperas trabaja en aceite lubricante, y noocurren fugas del líquido de proceso.




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Virtualmente siempre se selecciona un motor eléctrico como accionador. Sepueden considerar los mismos criterios de diseño para una bomba proporcionanteque para una bomba reciprocante de un motor más grande excepto por lasmodificaciones que se indican a continuación.

La variación de capacidad normalmente se logra mediante el reajuste manual delrecorrido del pistón. Se dispone de controles para:

1. Reajuste automático del recorrido

2. Reajuste manual remoto del recorrido

El flujo pulsante de la bomba dosificadora normalmente impide el uso deindicadores o medidores de flujo convencionales. Donde sea necesario calibrar,o rechequear la capacidad de ajuste, se debe colocar en la línea de succión dela bomba un pequeño recipiente o “columna de calibración”.

Una aplicación común de bombas dosificadoras es la inyección de solucionesquímicas para tratamiento de agua en las líneas de alimentación de agua decalderas o directamente en los tambores de las calderas. Se deben usar paraservicios limpios a fin de evitar taponamiento y ensuciamiento de la válvula. ElNPSHR para bombas proporcionantes es en el orden de 5 m (15pie) mínimo. Esimportante tener líneas de succión sobredimensionadas y cortas, para serviciosde NPSHD bajo.

La eficiencia típica es de 20%. Los efectos de la viscosidad sobre losrequerimientos de potencia se pueden ignorar.

Las conexiones de las boquillas y las válvulas de las bombas dosificadoras sonpequeñas y están sujetas a taponamiento o ensuciamiento de válvula cuando enel líquido están presentes partículas sólidas, por lo tanto, este tipo de bomba selimita a servicios limpios o filtrados.

Los modelos de bombas de émbolo se seleccionan normalmente con diámetrosde émbolo grande para asegurar una eficiencia volumétrica consistente, y paravelocidades de recorrido bajas a fin de lograr una vida larga de las empacadurasy una cavitación mínima en la succión.

Válvulas Reguladoras de Presión Aguas Arriba

La operación y el tiempo de servicio de las válvulas de descarga de las bombasdosificadoras tiende a ser más pobre si la presión de descarga no excede lapresión de succión en más de 70 kPa (10 psi). En casos donde la presión desucción puede exceder la presión de descarga debido a una gran elevación delrecipiente de succión, puede producirse un derrame de flujo a través de la bombadesde la succión a la descarga con la bomba parada. Ambas condiciones sepueden prevenir mediante una válvula reguladora de presión aguas arriba que sepuede especificar para ser suministrada por el suplidor.




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8 BOMBAS DE DIAFRAGMALas bombas de diafragma son bombas de desplazamiento positivo que operan pormovimiento periódico de un diafragma flexible. Sus principales ventajas son laausencia de cajas de estoperas y su tolerancia considerable a suspensionesabrasivas. Las principales desventajas son que producen un flujo pulsante yrequieren un mantenimiento de las válvulas relativamente alto,así como deldiafragma y del mecanismo regulador del tiempo de pulsación.

Los límites de cabezal–capacidad de las bombas de diafragma sonaproximadamente de 300 m (1000 pie) y 6 dm3/s (100 gpm). El diafragma seflexiona por presión del fluido pulsante por el lado del “accionador”. Se usa conmucha frecuencia aire comprimido, pero también es posible usar vapor y sistemashidráulicos de aceite. La presión del accionador se diseña usualmente para pulsarentre 0 y 105 kPa (0 y 15 psi) por encima del nivel de presión de descarga promediodel sistema con el líquido de proceso.

Las bombas de diafragma no encuentran aplicación en los servicios de procesosde refinería, pero se usan para suspensiones de plantas químicas demasiadocorrosivas o abrasivas para cualquier otro tipo de bomba.

9 BOMBAS ROTATIVASTipos AplicadosUna amplia gama de bombas rotativas están disponibles comercialmente y seaplican en los procesos industriales. Los tipos usados en los servicios de líquidode proceso son, sin embargo, generalmente limitados a bombas de engranajesexternos y bombas de tornillos. Los tipos de álabes deslizantes y de engranajesinternos encuentran aplicación en servicios de aceite hidráulico y de productos depetróleo a bajas capacidades, pero raramente para servicios en plantas deproceso.

Comparación entre Tipo de Engranajes y Tipo TornilloLa Tabla 2 presenta una comparación de los tipos de bombas de engranajes ytornillo más comúnmente aplicadas.

En el campo de aplicación por debajo de los siguientes rangos: de 40 a 65 dm3/s(650 a 1000 gpm), 21600 mm2/s (0.1x106 SSU) y 2400/3450 kPa (350/500 psi)(diferencial) de presión, ambos tipos de engranajes y de tornillo resultanaplicables. Dentro de los rangos indicados, las bombas de engranaje tienen lasventajas de tener un costo que está entre un 50 y un 65%del costo de las bombastipo tornillo, (debido principalmente a las operaciones de labrado más sencillas)y de ser ligeramente más eficiente. Las bombas de tornillo tienen la ventaja demayor tolerancia a la presencia de sólidos, menor sensibilidad a condiciones desucción de flujo mixto y causan menos esfuerzo cortante sobre el líquido, lo cuales una ventaja con líquidos sensibles a esfuerzo cortante.




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En su campo de aplicación por encima del rango de la bomba de engranaje, lasbombas de tornillo ofrecen un flujo más pausado, menor mantenimiento y menorcosto que las bombas reciprocantes de capacidad comparable. Sin embargo,tienen menor eficiencia y un límite más bajo de presión diferencial que las bombasreciprocantes.

Bombas de un Solo Tornillo para Sólidos en Líquido (Moyno)

La bomba “MOYNO” de un solo tornillo es un tipo especial de bomba de tornillopara manejar suspensiones con partículas relativamente grandes. El diseño dela bomba permite una mínima fractura de las partículas y muy pocos daños porabrasión en la bomba. Se usa extensivamente en la industria de procesamientode alimentos y en la industria química en mezclas sólido/líquidas que sonabrasivas o requieren un manejo delicado de las partículas de sólidos. Se puedenmanejar partículas desde 2 hasta 30 mm (0.08 a 1.25 pulg) de diámetro mediantevarios tamaños de bombas. Se pueden manejar viscosidades hasta 216000mm2/s (1x106 SSU); capacidades entre 0.01–31 dm3/s (0.2–500 gpm). Lastemperaturas se limitan a 95°C (200°F) para recubrimientode estator de goma y205°C (400°F) para recubrimientos de estator de acero inoxidable.

Rango de Viscosidad

La razón principal para usar bombas rotativas en vez de centrífugas es la de tomarventaja de su capacidad de alta viscosidad. Una segunda razón para usar bombasrotativas es la simplicidad y la eficiencia en manejar caudales de flujo demasiadobajos para hacer económica la aplicación de bombas centrífugas. En el segundocaso, la viscosidad baja a veces influencia el diseño de las bombas rotativas. Laimportancia de la viscosidad en el diseño de bombas rotativas se puede resumircomo sigue:




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Viscosidad

mm2/s SSUImportancia

1.6–7.3 32–50 Nivel práctico mínimo; diseño normalcon conjinetes limitado a presión dife-rencial de 400–700 kPa (60–100 psi).

7.3–32 50–150 Diseños especiales con capacidadhasta 2750 kPa (400 psi) de presión di-ferencial.

32–43 150–200 Diseño normal con capacidad hasta1030 kPa (150 psi) de presión diferen-cial.



109 500 Por debajo de este nivel, se recomien-dan las centrífugas donde así el flujo lopermita; por encima de este nivel, lasrotativas resultan preferiblementefrente a las centrífugas.

>109 >500 Diseños especiales disponibles hasta4830–6900 kPa (700–1000 psi) depresión diferencial, algunos para servi-cios tan altos como 24100 kPa (3500psi).

130–640 600–3000 Rango para eficiencia máxima debombas de tornillo.

21600 hasta34 x 106

0.1 1 x 106 hasta150 x 106

Ver Tabla 2.

Las bombas rotativas que manejan líquidos de alta viscosidad se deben operar avelocidades reducidas y, por lo tanto, tienen caudales de flujo reducidos. Lasiguiente tabla ilustra la reducción de velocidad necesaria:




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Viscosidad

mm2/s SSU% Velocidad

220 1000 100

1100 5000 100

2160 10000 90

4320 20000 75

10800 50000 60

21600 100000 50

Es importante que la viscosidad máxima se use para el cálculo de presión desucción de la bomba y del NPSHD. Para viscosidades mayores a 1100mm2/s(5000 SSU), se debe consultar a los especialistas de máquinas para obtener datosactualizados de NPSHR de suplidores.

Las bombas diseñadas para operación a viscosidad muy alta están provistas deentradas diseñadas especialmente, incluyendo “embudos” grandes de entrada detope para reducir el NPSHR.

Además del nivel de viscosidad, la manera en que la viscosidad cambia con la tasade esfuerzo cortante, es decir, el comportamiento no–Newtoniano, afecta laselección y el diseño de la bomba. Los líquidos con viscosidades por encima de108000 mm2/s (0.5 x 106 SSU) son típicamente no–Newtonianos. Los datos detasa de esfuerzo cortante se deben por lo tanto incluir en las Especificaciones deDiseño para evitar errores de aplicación de bomba y deficiencias en sufuncionamiento.

Limitaciones de Presión y TemperaturaLas bombas de engranaje de construcción normal y de diseño especial soncomúnmente aplicadas hasta 3450 kPa (500 psi) de presión diferencial y 3450 kPaman. (500 psig) de presión de descarga. Las bombas de tornillo están disponiblespara valores tan altos como 17200–24100 kPa man (2500 a 3500 psig).

Para el diseño de servicio de cualquier bomba rotativa con una presión diferencialmayor de 4800 kPa (700 psi), se deberían obtener datos de diseño y aplicaciónde los modelos disponibles por consulta a los especialistas en máquinas.

La mayoría de los modelos de bombas rotativas se limitan a 175°C (350°F) detemperatura de operación nominal, debido al uso de cojinetes internos. Seencuentran disponibles modelos de mayor costo con cojinetes externos pararangos de hasta 400°C (750°F), pero existe una experiencia de aplicación muylimitada a temperaturas superiores a los 330°C (625°F).

Sensibilidad a los SólidosLas bombas rotativas convencionales requieren tolerancias estrechas de laspartes móviles y se dañan fácilmente por el contenido de sólidos en el líquido




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bombeado. Los sólidos causan erosión de las tolerancias estrechas, permitiendoun incremento del deslizamiento, y puede causar obstrucción, desgaste yatascamiento de los rotores. Las bombas de engranajes son más sensibles a lossólidos que las bombas de tornillo. Estas últimas pueden típicamente dejar pasarpartículas con diámetros de hasta de 2.5 mm sin sufrir daños significativos,siempre que la cantidad y la abrasividad de las partículas sea baja.

Normalmente, las bombas rotativas se deben especificar sólo para servicioslimpios. Si se espera que el contenido de sólidos exceda de un 0.1% en peso, sedeben especificar el tipo de construcción de engranajes de distribución y cojinetesexternos. Los especialistas de máquinas deben ser consultados en cuanto a lasaplicaciones para servicio sucio.

Las prácticas para proteger la succión de la bomba con filtros temporales opermanentes son similares a las que se aplican a las bombas centrífugas, exceptoque se usa una malla de 20 mesh para los coladores temporales y que la selecciónde la malla para los filtros permanentes requiere de consulta al suplidor de labomba seleccionada.

Requerimientos de NPSH

Las bombas rotativas tienen requerimientos de NPSH variables, al igual que lascentrífugas. Usualmente se pueden obtener bombas con requerimientos de 3 m(10 pie) sin una penalización económica significativa. También se pueden obtenerrequerimientos tan bajos como 1.5 m (5 pie), pero probablemente se requerirá unavelocidad reducida y un diseño de protección y, por lo tanto, un costo adicional.

Sellado del Eje

El sellado del eje de bombas rotativas tiende a ser más fácil que para muchasbombas centrífugas debido a que la mayoría de los líquidos manejados son de altaviscosidad (lo cual los hace mejores lubricantes), las velocidades de la bombarotativa tienden a ser menores y las presiones de succión de servicio tienden a serbajas. El empaque trabaja en forma aceptable en la mayoría de los servicios y esgeneralmente competitiva con los sellos mecánicos.

Para servicios en limpio, se justifica el uso de sellos mecánicos por ahorros defujas y son ampliamente recomendados.

Los servicios con viscosidad baja, de lubricación pobre, requieren cojinetesexternos, y por lo tanto, cuatro cajas de estoperas. La combinación de pobrelubricación con cuatro cajas de estoperas presenta un problema difícil de selladodel eje. El método de diseño sugerido es especificar que los sellos mecánicos parala instalación inicial sean convertibles a empacaduras a través de ejesespecialmente endurecidos o trabajados en superficie,o mediante el uso demanga de eje en el área de la caja de estopera. Se recomienda consultar a unespecialista de máquinas.




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Para líquidos de servicio que contienen más de 0.1% en peso de coque u otrossólidos, se recomienda el uso de empaque en lugar de sellos mecánicos conlavado externo. Para estos servicios se requieren engranajes de distribución ycojinetes externos, y por lo tanto, se requiere una construcción de cuatro cajas deestoperas. El uso de empacaduras bajo ningún aspecto asegura unmantenimiento bajo, pero los costos de compra, operación y mantenimiento decuatro sellos mecánicos con limpieza externa en servicio sucio se puede esperarque sean mucho más altos que los de empaques en tal medida que compensanel ahorro debido al derrame.

Las cajas de estoperas de bombas de tornillo están normalmente expuestas a lapresión de succión. Las cajas de estoperas de las bombas de engranaje estánnormalmente expuestas a la presión intermedia entre la succión y la descarga,pero esto puede ser alterado mediante arreglos de balanceo de presión.

Eficiencia y Requerimientos de Servicio

El requerimiento de potencia para bombas rotativas se calcula de la misma formaque para bombas centrífugas, usando una eficiencia global, Eo. A partir de lasFiguras 5 y 6 se pueden obtener valores estimados de eficiencia para bombas deengranaje y de tornillo.

Los requerimientos de agua de enfriamiento se pueden estimar como se indica acontinuación:

Temperatura <30 dm3/s (<500 gpm) <30 dm3/s (<500 gpm)

<150°C (<300°F) 0.13 dm3/s (2 gpm) 0.2 dm3/s (3 gpm)

>150°C (>300°F) 0.25 dm3/s (4 gpm) 0.35 dm3/2 (5 gpm)

Válvulas

Las bombas rotativas se pueden hacer girar en reversa para tener flujo en sentidocontrario y, por lo tanto, deben estar provistas de una válvula de retención en laslíneas de descarga.

10 BOMBAS DE TURBINAS REGENERATIVAS

Descripción

La bomba de turbina regenerativa es una bomba dinámica estructurada como unabomba centrífuga, pero con una curva de cabezal–capacidad mucho másinclinada. El impulsor es un disco sólido con álabes acanalados a cada lado delperímetro que suministra energía al líquido por recorridos múltiples desde elimpulsor al estator y de nuevo al impulsor, describiendo unos recorridos en formade tornillo doble a lo largo del anulo del estator.




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Características de Funcionamiento

Los modelos de bombas tipo turbina están disponibles para capacidades desde0.06 hasta más de 6.0 dm3/s (1 hasta más de 100 gpm), rara vez resultanpreferibles frente a las bombas centrífugas a capacidades superiores a los 3.0dm3/s (50 gpm). Encuentran aplicación con mayor frecuencia en el rango de 0.06a 1.3 dm3/s (1 a 20 gpm). El cabezal está limitado a 210/230 m (700/750 pie) paraunidades de una etapa y 335/425 m (1100/1400pie) para unidades de dos etapas.La temperatura está limitada de 120 a 175°C (250 a 350°F). El funcionamiento sedeteriora significativamente con viscosidades por encima del rango de 43 a 109mm2/s (200 a 500 SSU). El requerimiento de NPSH varía entre 1 y 10 m (entre3 y 30 pie). El flujo proveniente de una bomba tipo turbina es uniforme, como elde una bomba centrífuga.

Las bombas tipo turbina tienen una presión de disparo que es típicamente de 2 a3 veces el valor del diseño. Lo inclinado de la curva de cabezal produce unaumento en la curva de requerimiento de potencia a medida que el flujo disminuye,llegando a un pico en el punto de disparo. Por esto, los accionadores para lasbombas tipo turbina deben ser dimensionadas para flujo mínimo, en vez de paraflujo normal, y se puede requerir una válvula de seguridad en la válvula de bloqueode descarga.

La eficiencia de las bombas de tipo turbinas típicamente está entre 40 y 45% enel rango de 0.6 a 2.2 dm3/s (10 a 35 gpm), contra el 20% o menos para bombascentrífugas de una etapa.

Sensibilidad a Ensuciamiento, Corrosión

La bomba tipo turbina depende de la conservación de tolerancias de partesmóviles tan pequeñas como de 0.05 a 0.075 mm (0.002 a 0.003 pulg) entre loslados del impulsor y la parte lateral del cuerpo, y entre la periferia del impulsor yel “despojador”. Esto hace la bomba intrínsecamente sensible a la presencia desólidos tan pequeños como de 20 a 30 micrones (= micrómetros) en el fluidobombeado, a choques de temperatura y a fuerzas y momentos de la tubería en lasbridas de la bomba. La necesidad de reparaciones para renovar las toleranciases frecuente.

La experiencia de refinería con bombas tipo turbina en servicio corrosivo hamostrado pérdida completa de los pequeños álabes y una severa acción corrosivadebida a las estrechas holguras. La bomba, por lo tanto, no es apta para servicioscorrosivos.

Rango de Aplicación

Las bombas tipo turbina regenerativa son económicamente competitivas con lasbombas dosificadoras para servicios en el rango de 0.06 a 0.6dm3/s (1 a 10 gpm),con requerimientos de cabezal mayores de 100 m y temperaturas por debajo de




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120°C. El líquido debe ser no–corrosivo y libre de sólidos. Resulta preferida usarbombas centrífugas con recirculación para bajo flujo por encima de 0.6 dm3/s (10gpm) debido a su mayor confiabilidad. Normalmente, es preferible usar bombascentrífugas que bombas de tipo turbina regenerativa para temperaturas mayoresy cabezales más bajos, aun cuando se requiera una recirculación considerable.Las bombas reciprocantes resultan preferibles donde el cabezal alto y contenidode sólidos se combinan con el flujo bajo.

11 VALVULAS DE ALIVIO DE LA PRESION DE DESCARGAGeneralidades

Las válvulas de seguridad en la descarga de las bombas de desplazamientopositivo convencionalmente se les llama válvulas de alivio de presión. Estasválvulas tienen el doble propósito de proteger la bomba y su tubería de descargade una presión excesiva y de proteger el accionador de un esfuerzo de torsión ycarga excesivos. La protección de sobrepresión se requiere porque la capacidadde la presión de descarga de las bombas de desplazamiento positivo está limitadasólo por la capacidad del esfuerzo de torsión del accionador; sobre presionesgrandes pueden ser causadas por el simple cierre de la válvula de bloqueo dedescarga. La protección contra la sobrecarga del accionador mediante la válvulade alivio se requiere para suministrar un mayor grado de protección contra fallasdel accionador que el que puede suministrar la sola protección por sobrecargaeléctrica. En la práctica, la función de protección por sobrecarga suministra ellímite inferior para el ajuste final de la válvula de alivio con más frecuencia que lafunción de protección por sobrepresión.

Debido a la doble función de la válvula de alivio, su ajuste final se debe desarrollaren dos etapas:

1. Durante el diseño de proceso (antes de la selección del modelo de bombay tamaño del accionador), se selecciona y especifica el ajuste de la válvulade alivio, basada en la protección para sobrepresión, usando el método decapítulo de Seguridad en el Diseño.

2. Durante la ingeniería de detalles, cuando el modelo de la bomba y el tamañodel accionador sean seleccionados, el impacto de la protección por lasobrecarga requerida en el diseño del servicio debe ser revisado con lossiguientes objetivos:

a. Confirmar que el ajuste suministra la protección requerida de sobrecarga delaccionador.

b. Chequear el efecto del ajuste sobre el costo del equipo, ya que pequeñasreducciones del ajuste a veces permiten un ahorro significativo en el costode equipos, debido a los intervalos definidos de modelos y tamaños.




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c. Determine si un potencial extra de descarga está disponible según la bomba,el accionador y el sistema de tuberías seleccionados, el cual puede producirun incremento útil en la flexibilidad de servicio, que justificaría un incrementoen el ajuste inicialmente especificado para la válvula de alivio.

La válvula de alivio se debe instalar antes de la válvula de bloqueo de descargade la bomba y se debe conectar mediante un sistema de tuberías a un punto aguasarriba de la bomba, o al recipiente de succión, para evitar sobrecalentamiento dela bomba debido a la recirculación. La válvula y su sistema de tuberías debe tenercalentamiento con vapor en los servicios de alta viscosidad.

La válvula de alivio se diseña para uso de seguridad intermitente y no se le debeconfiar el control normal de presión de descarga. Si no se estipula otro tipo decontrol de presión de descarga, se debe colocar una válvula reguladora depresión, alineada en paralelo con la válvula de alivio, para evitar la operaciónfrecuente de la válvula de alivio.

Las válvulas de alivio se deben especificar y mostrar en los diagramas de flujo paratodos los servicios con bombas de desplazamiento positivo, se requieren válvulasde alivio independientes de la bomba en todos los casos a excepción de lasbombas dosificadoras donde son aceptables válvulas empotradas. (Parte integralde la bomba).

Tipo Empotradas

Dado que todas las bombas rotativas requieren válvulas de alivio de presión dedescarga, especialmente los modelos pequeños se construyen con una válvulaempotrada en el cuerpo de la bomba. Este estilo no es un substituto aceptablepara las válvulas independientes externas para bombas rotativas en servicios delíquido de proceso (en contraste con los servicios hidráulicos o sistemas delubricación) por las siguientes razones:

1. El flujo de recirculación va directamente a la succión de la bomba sinsuficiente recorrido de tubería para permitir el enfriamiento, por lo tanto, elcalentamiento de la bomba es rápido cuando la válvula está funcionando.

2. El control del diseño y calidad de las válvulas empotradas es menos efectivoque el que se aplica a las válvulas de seguridad separadas, y con frecuenciaes insuficiente para confiarle la protección de tubería y los accesorios en elsistema de descarga.

3. Las pruebas a escala banco de las válvulas empotradas en las instalacionesde refinería pueden requerir equipos especiales.

4. Algunas partes de las válvulas empotradas no son intercambiables con lasotras válvulas de seguridad de la planta.

Por lo tanto, se deben especificar válvulas de alivio independientes para lasbombas rotativas en servicios de líquidos de proceso en las especificaciones de




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diseño independientemente, de que el modelo seleccionado tenga o no unaválvula empotrada.

Válvulas de Alivio para Bombas Dosificadoras

Una práctica diferente se sigue para las bombas dosificadoras, debido al menortamaño de la bomba, del accionador y del sistema de tuberías, y al menor riesgode falla de cualquier componente. Las válvulas empotradas o las válvulassuministradas por el suplidor de la bomba resultan aceptables con unavalorización adecuada de los cálculos de ingeniería. Las bombas dosificadorasde tipo diafragma normalmente se suministran con válvulas de alivio internas queoperan del lado del aceite hidráulico de diafragma. Las bombas dosificadoras detipo pistón normalmente tienen válvulas independientes diseñadas por el suplidorde la bomba.

12 NOMENCLATURA(Ver MDP–02–P–02).




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TABLA 1. BOMBAS RECIPROCANTES DE TAMAÑO ESTANDAR

Para presiones de descarga de hasta 250 psi Para presiones de descarga hasta 500 psigTamaño

Pulg

VelocidadBásica*

Pie/min

Capacidad

gpm

Tamaño

Pulg

VelocidadBásica*

Pie/min

Capacidad*

gpm

3 x 2 x 3 16 2.35 6 x 3 x 8 33 10.93 x 2 x 4 21 3.10 6 x 4 x 6 28 16.55 x 3 x 6 28 9.30 6 x 4 x 12 45 26.54 x 4 x 6 28 16.5 6 x 5 x 12 45 26.56 x 4 x 6 28 16.5 12 x 4 x 12 45 41.56 x 4 x 8 33 16.5 6 x 5 x 12 45 41.56 x 4 x 10 40 23.5 6 x 6 x 12 45 59.77 x 5 x 10 40 36.7 14 x 6 x 12 45 59.78 x 5 x 10 40 36.7 8 x 7 x 12 45 81.28 x 5 x 12 45 41.5 14 x 7 x 12 45 81.29 x 6 x 12 45 59.7 8 x 7 x 15 52 93.710 x 6 x 12 45 59.7 14 x 7 x 15 52 93.710 x 7 x 12 45 81.2 8 x 7 x 18 58 10412 x 7 x 16 52 93.7 18 x 7 x 18 58 10412 x 8 x 12 45 106 10x 8 x 20 62 15714 x 8 x 12 45 106 16 x 8 x 20 62 15712 x 8 x 15 52 122 8 x 9 18 58 17314 x 8 x 15 52 122 20 x 9 x 18 58 17314 x 9 x 14 52 154 10 x 10 x 18 58 21416 x 10 x 15 52 191 24 x 10 x 18 58 21414 x 10 x 20 62 250 12 x 10 x 20 62 25018 x 12 x 15 52 275 20 x 10 x 20 62 25020 x 14 x 15 52 374 14 x 12 x 20 62 36020 x 14 x 20 62 490 20 x 12 x 20 62 36024 x 16 x 20 62 640 12 x 12 x 24 68 39526 x 18 x 20 62 810 23 x 12 x 24 68 39530 x 24 x 20 62 1,440

DIA

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BOMBA SIMPLE CAPACIDADES BASADAS ENVELOCIDADES BASICAS Y EFICIENCIA DE90% VOL.

LA TABLA DE ARRIBA SE BASA EN ESPECIFICACIONES DEL CONSTRUCTOR, Y LA VERSION EN UNIDADES “SI” NO ESTA DISPONIBLE TODAVIA. USELOS SIGUIENTES FACTORES DE CONVERSION:

PRESION DE DESCARGA psi x 6.894 757 = kPa man

TAMAÑO in. x 24.5 = mm

VELOCIDAD BASICA ft/min x 5.08 = mm/s

CAPACIDAD gpm x 6.309 020 x 10–2 = dm3/s




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TORRES DE DESTILACION EMPACADAS ENE.970

PDVSA MDP–04–CF–07

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NOTA




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PDVSA MPD–02–P–08

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TABLA 2. COMPARACION DE TIPOS DE BOMBAS ROTATIVAS USADAS COMUNMENTE EN LOS SERVICIOS DE PLANTAS DE PROCESO

Arreglo del rotor N° derotores

N° de cajas deestoperas

Tipo de engranaje externo Tipo de tornillo

Rotor único 1 1 No hay modelos comercialessignificativo

“MOYNO”; para servicios con presencia de sólidos; evita laruptura de partículas sólidas y minimiza los daños porabrasión.

Transmisión de contacto derotor de guía (sin engranajede distribución)

2 ó 3 1 2 rotores; costo bajo, presióndiferencial limitada a (350/500 °F),viscosidad de 1.6/7.3 a 21600 mm2/s(32/50 a 0.1 x 106 SSU); raras vecesse aplica para más de 20/35 dm3/s(350/500 gpm).

3 rotores; “IMO”; más bajo en costo que el tipo engranaje dedistribución; viscosidad máxima 21600 mm2/s (0.1 x 106 SSU;viscosidad mínima 2.6mm2/s (35 SSU) a un P de 700 kPa (100 psi), 20mm2/s a P de 2760 kPa (400 psi); capacidad hasta 250 dm3/s ((4000gpm) el mango en el cuerpo actúa como una chumacera del rotor;tiende requerimientos de NPSH más altos que los tipos de engranajede distribución, presión hasta 20700 kPa (3000 psi).

Cojinetes y engranajes dedistribuci’on

2 1 Los mismos límites de presión yviscosidad que arriba; capacidadlimitada a 40/50 dm3/s (650/1000gpm); temperaturas limitadas al rangoentre 150 y 175 °C (300 a 350 °F)

Viscosidad hasta 32.4 x 106 mm2/s (150 x 106 SSU); mismos límitesde capacidad indicados arriba; menos sensible a la presencia desólidos en el líquido que el tipo de transmisión de contacto o deengrajane, pero limitado a líquidos lo suficientemente lubricantes parala lubricación de los cojinetes; tiene el mismo límite de temperatura queel tipo de engranaje; capacidad de diferencial de presión de 4800 a20700 kPa (700 a 300 psi).

Cojinetes y engranajes dedistribución exteriores

2 4 Fuente de suplidores limitadas;viscosidades hasta 108000 mm2/s (5x 106 SSU) tiene los mismos límitesde capacidad que el tipo anterior;límite de presión diferencial paraconstrucción normalizada 1400 kPa(200 psi), para construccón especial2800 kPa (400 psi); temperaturalimitada al rango entre 370 y 400 °C(700 a 750 °F)

Fuentes de suplidores limitadas; tiene los mismos límites de viscosidady capacidad que el tipo anterior; construcción muy versátil paraviscosidad baja y presiones altas, baja lubricidad, sólidos, etc.; lostornillos pueden ser reemplazables o integrados al eje; el engranaje dedistribución puede ser exterior o de extremo acoplado; tiene losmismos límites de temperatura que el tipo de engranaje; tiene la mismacapacidad de diferencial de presión que el tipo anterior.




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Fig 1. CARTA PARA SELECCION DE BOMBA RECIPROCANTE




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Fig 2. CAUDALES DE AGUA DE BOMBAS RECIPROCANTES SIMPLES




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Fig 3. TIPO DE CONSTRUCCION DE BOMBAS DE ENGRANAJES




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Fig 4. ESTILOS DE CONSTRUCCION DE BOMBA TIPO TORNILLO




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Fig 5. EFICIENCIA DE BOMBAS DE ENGRANAJE




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Fig 6. EFICIENCIA DE BOMBAS TIPO TORNILLO

NOTA:

EFICIENCIA GLOBAL = (EFICIENCIA BASICA) X (FACTOR DE CORRECCION)




Education

Mdp 02 p-08 bombas de desplazamiento positivo