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Características de rendimiento de las bombas centrífugas

Aunque la teoría de las bombas centrífugas ofrece muchos resultados cualitativos, el indicador más importante del rendimiento de una bomba radica en pruebas hidráulicas exhaustivas .

En la industria, las características de todas las bombas generalmente se leen de su curva QH  o curva de rendimiento  (caudal – altura). Como se puede ver, los gráficos de rendimiento utilizan una descarga – Q (generalmente en m ³ / h) y la altura ^{de la} bomba – H (generalmente en m) como variables de rendimiento básicas.

Jefe del sistema

En el capítulo de pérdida de carga , se determinó que ambos grandes pérdidas y pérdidas menores en los sistemas de tuberías son proporcionales al cuadrado de la velocidad de flujo . Es obvio que la pérdida de carga del sistema debe ser directamente proporcional al cuadrado del caudal volumétrico, porque el caudal volumétrico es directamente proporcional a la velocidad del flujo.

Debe agregarse que los sistemas hidráulicos abiertos contienen no solo el cabezal de fricción, sino también el cabezal de elevación , que debe considerarse. La altura de elevación (altura estática) representa la energía potencial de un fluido debido a su elevación por encima de un nivel de referencia.

En muchos casos, la altura total de un sistema es una combinación de altura de elevación y altura de fricción como se muestra en la figura.

En ingeniería nuclear, la mayoría de los sistemas hidráulicos son circuitos hidráulicos cerrados y estos sistemas solo tienen cabeza de fricción (sin cabeza estática).

Cabezal de bomba: curva de rendimiento

En dinámica de fluidos, el término cabezal de bomba se usa para medir la energía cinética que crea una bomba. La altura es una medida de la altura de la columna de fluido incompresible que la bomba podría crear a partir de la energía cinética que la bomba le da al líquido. La altura y el caudal determinan el rendimiento de una bomba, que se muestra gráficamente en la figura como la curva de rendimiento o la curva característica de la bomba . La razón principalpara usar la cabeza en lugar de la presión para determinar el rendimiento de una bomba centrífuga es que elLa altura de la columna de fluido no depende de la gravedad específica (peso) del líquido , mientras que la presión de una bomba cambiará. En términos de presión, el cabezal de la bomba ( _bomba ΔP ) es la diferencia entre la contrapresión del sistema y la presión de entrada de la bomba.

La altura máxima de la bomba de una bomba centrífuga está determinada principalmente por el diámetro exterior del impulsor de la bomba y la velocidad angular del eje  – velocidad del eje giratorio. El cabezal también cambiará a medida que aumenta el caudal volumétrico a través de la bomba.

Cuando una bomba centrífuga funciona a una velocidad angular constante , un aumento en la carga del sistema (contrapresión) en la corriente de flujo provoca una reducción en el caudal volumétrico que la bomba centrífuga puede mantener.

La relación entre el cabezal de la bomba y el caudal volumétrico (Q) , que puede mantener una bomba centrífuga, depende de varias características físicas de la bomba como:

• la potencia suministrada a la bomba
• la velocidad angular del eje
• El tipo y diámetro del impulsor

y el fluido usado:

• densidad de fluido
• viscosidad fluida

Esta relación es muy complicada y su análisis radica en extensas pruebas hidráulicas de ciertas bombas centrífugas. Como se puede ver en la imagen a continuación.

Características de funcionamiento de un circuito hidráulico

Cuando reunimos las características de fricción  (cabeza del sistema) de un circuito hidráulico y la curva de rendimiento, el resultado describirá las características de todo el sistema (por ejemplo, un circuito de circuito primario ). La siguiente figura muestra la curva de rendimiento típica para una bomba centrífuga relacionada con el cabezal de fricción del sistema.

El cabezal de la bomba , en el eje vertical, es la  diferencia entre la contrapresión del sistema y la presión de entrada de la bomba ( _bomba ΔP ). La velocidad de flujo volumétrico (Q) , en el eje horizontal, es la velocidad a la que fluye el fluido a través de la bomba. Como se puede ver, la altura es aproximadamente constante a baja descarga y luego cae a cero a Q _máx . A baja descarga, las características pueden ser inestables (con pendiente positiva del cabezal de la bomba). Estas son características indeseables, porque una bomba inestable puede comenzar a oscilar entre las dos combinaciones posibles de caudal y la tubería puede vibrar.

Al caudal Q1, la bomba gana más altura que la que consume las pérdidas por fricción, por lo tanto, el caudal a través del sistema aumentará . El caudal se estabilizará en el punto, donde las pérdidas por fricción se cruzan con las características de la bomba .

Para caracterizar el rendimiento de las bombas centrífugas, se definen los siguientes términos:

• Cabeza de cierre
• Eficiencia de la bomba
• Mejor punto de eficiencia – BEP
• Potencia al freno
• Cabeza de succión positiva neta

Presión en reactor de agua a presión

Los reactores de agua a presión  utilizan un recipiente a presión del reactor (RPV) para contener el combustible nuclear, el moderador , las barras de control y el refrigerante. Se enfrían y moderan con agua líquida a alta presión (p. Ej., 16MPa). A esta presión, el agua hierve a aproximadamente 350 ° C (662 ° F). Esta alta presión es mantenida por el presurizador . La temperatura de entrada del agua es de aproximadamente 290 ° C (554 ° F). El agua (refrigerante) se calienta en el núcleo del reactor a aproximadamente 325 ° C (617 ° F) a medida que el agua fluye a través del núcleo. Como se puede ver, el reactor tiene aproximadamente 25 ° C de refrigerante subenfriado (distancia desde la saturación ).

Un presurizador es un componente de un reactor de agua a presión . La presión en el circuito primario de los PWR se mantiene mediante un presurizador , un recipiente separado que se conecta al circuito primario (pata caliente) y se llena parcialmente con agua que se calienta a la temperatura de saturación (punto de ebullición) para la presión deseada mediante un sistema eléctrico sumergido. calentadores .

Por otro lado, hay líneas de rociado para disminuir la presión dentro del presurizador , lo que a su vez provoca una disminución de la presión en el sistema de refrigeración del reactor. Estas líneas de rociado rocían el refrigerante del reactor desde el tramo frío de un circuito al espacio de vapor y condensa una parte del vapor. La acción de enfriamiento reduce la presión y limita los aumentos de presión.

Unidades de energía

La energía generalmente se define como el potencial para hacer trabajo o producir calor. Esta definición hace que la unidad SI para la energía sea la misma que la unidad de trabajo: el joule (J) . Joule es una unidad de energía derivada y lleva el nombre en honor de James Prescott Joule y sus experimentos sobre el equivalente mecánico del calor. En términos más fundamentales, 1 julio es igual a:

1 J = 1 kg.m ² / s ²

Dado que la energía es una cantidad física fundamental y se usa en varias ramas físicas y de ingeniería, hay muchas unidades de energía en física e ingeniería.

• Joule (unidad: J)
• Calorías (unidad: cal)
• Unidad Térmica Britich (unidad: BTU)
• Fuerza pie-libra (unidad: ft.lbf)
• Kilovatio-hora (unidad: kWh)
• Megavatio-día (unidad: MWd)
• Electronvoltio (unidad: eV)

Joule – Unidades de energía

Carcasa – Voluta

Cada bomba centrífuga está hecha de cientos de partes. Hay algunos componentes que prácticamente todas las bombas centrífugas tienen en común. Estos componentes se pueden subdividir en el extremo húmedo y el extremo mecánico .

El extremo húmedo de la bomba incluye aquellas partes que determinan el rendimiento hidráulico de la bomba . Los dos extremos húmedos primarios son el impulsor y la carcasa . En algunos casos, el primer rodamiento radial puede lubricarse con agua. En este caso, el rodamiento también puede pertenecer a extremos húmedos.

El extremo mecánico incluye aquellas partes que soportan el impulsor dentro de la carcasa . El extremo mecánico de la bomba incluye el eje de la bomba , el sellado, los cojinetes y el manguito del eje .

Caja

La carcasa contiene el líquido y actúa como un recipiente de contención de presión que dirige el flujo de líquido dentro y fuera de la bomba centrífuga. La voluta es un embudo curvo que aumenta de área a medida que se acerca al puerto de descarga. La voluta de una bomba centrífuga es la carcasa que recibe el fluido que bombea el impulsor, lo que reduce la velocidad de flujo del fluido. Por lo tanto, de acuerdo con el principio de Bernoulli, la voluta convierte la energía cinética en presión al reducir la velocidad al tiempo que aumenta la presión. Algunas bombas centrífugas contienen difusores. Un difusor es un conjunto de paletas estacionarias que rodean el impulsor. El difusor dirige el flujo, permite una expansión más gradual y, por lo tanto, aumenta la eficiencia de la bomba centrífuga.

Unidades de energía

La energía generalmente se define como el potencial para hacer trabajo o producir calor. Esta definición hace que la unidad SI para la energía sea la misma que la unidad de trabajo: el joule (J) . Joule es una unidad de energía derivada y lleva el nombre en honor de James Prescott Joule y sus experimentos sobre el equivalente mecánico del calor. En términos más fundamentales, 1 julio es igual a:

1 J = 1 kg.m ² / s ²

Dado que la energía es una cantidad física fundamental y se usa en varias ramas físicas y de ingeniería, hay muchas unidades de energía en física e ingeniería.

• Joule (unidad: J)
• Calorías (unidad: cal)
• Unidad Térmica Britich (unidad: BTU)
• Fuerza pie-libra (unidad: ft.lbf)
• Kilovatio-hora (unidad: kWh)
• Megavatio-día (unidad: MWd)
• Electronvoltio (unidad: eV)

Kilovatio a Kilovatio – kW a kWh

Kilovatio-hora (unidad: kWh) . Kilovatio-hora es una unidad derivada de energía. Se utiliza para medir energía, especialmente energía eléctrica en aplicaciones comerciales.

Sistema abierto – Sistema cerrado – Sistema aislado

Sistema abierto – Sistema cerrado – Sistema aislado

El calor y / o el trabajo pueden dirigirse dentro o fuera del volumen de control . Pero, por conveniencia y como una convención estándar, el intercambio neto de energía se presenta aquí con el intercambio neto de calor que se supone está dentro del sistema y el trabajo neto que se supone que está fuera del sistema. Si ninguna masa cruza el límite , pero el trabajo y / o el calor sí, entonces el sistema se denomina sistema “cerrado” . Si la masa, el trabajo y el calor no cruzan el límite (es decir, los únicos intercambios de energía que tienen lugar dentro del sistema), entonces el sistema se conoce como un sistema aislado . Los sistemas aislados y cerrados no son más que casos especializados del sistema abierto .

Unidades de energía

La energía generalmente se define como el potencial para hacer trabajo o producir calor. Esta definición hace que la unidad SI para la energía sea la misma que la unidad de trabajo: el joule (J) . Joule es una unidad de energía derivada y lleva el nombre en honor de James Prescott Joule y sus experimentos sobre el equivalente mecánico del calor. En términos más fundamentales, 1 julio es igual a:

1 J = 1 kg.m ² / s ²

Dado que la energía es una cantidad física fundamental y se usa en varias ramas físicas y de ingeniería, hay muchas unidades de energía en física e ingeniería.

• Joule (unidad: J)
• Calorías (unidad: cal)
• Unidad Térmica Britich (unidad: BTU)
• Fuerza pie-libra (unidad: ft.lbf)
• Kilovatio-hora (unidad: kWh)
• Megavatio-día (unidad: MWd)
• Electronvoltio (unidad: eV)

Ejemplo de energías en electronvoltios

• Los neutrones térmicos son neutrones en equilibrio térmico con un medio circundante de temperatura 290K (17 ° C o 62 ° F) . La energía más probable a 17 ° C (62 ° F) para la distribución Maxwelliana es 0.025 eV (~ 2 km / s).
• La energía térmica de una molécula está a temperatura ambiente aproximadamente 0.04 eV .
• Aproximadamente 1 eV corresponde a un fotón infrarrojo de longitud de onda de 1240 nm.
• Los fotones de luz visible tienen energías en el rango 1.65 eV (rojo) – 3.26 eV (violeta).
• La primera resonancia en la reacción n + ²³⁸ U es a 6.67 eV (energía del neutrón incidente), que corresponde al primer nivel virtual en ²³⁹ U , tiene un ancho total de solo 0.027 eV, y la vida media de este estado es 2.4 × 10 ^-14 s.
• La energía de ionización del hidrógeno atómico es de 13,6 eV .
• El carbono 14 se desintegra en nitrógeno 14 a través de la desintegración beta (desintegración beta pura). Las partículas beta emitidas tienen una energía máxima de 156 keV, mientras que su energía media ponderada es de 49 keV .
• Los fotones de rayos X médicos de diagnóstico de alta energía tienen energías cinéticas de aproximadamente 200 keV.
• El talio 208, que es uno de los nucleidos en la cadena de descomposición de ²³² U , emite rayos gamma de 2.6 MeV que son muy enérgicos y altamente penetrantes.
• La energía cinética típica de la partícula alfa de la desintegración radiactiva es de aproximadamente 5 MeV . Es causado por el mecanismo de su producción.
• La energía total liberada en un reactor es de aproximadamente 210 MeV por ²³⁵ U de fisión , distribuida como se muestra en la tabla. En un reactor, la energía recuperable promedio por fisión es de aproximadamente 200 MeV , siendo la energía total menos la energía de la energía de los antineutrinos que se irradian.
• El rayo cósmico puede tener energías de 1 MeV – 1000 TeV .

Curva de vapor de saturación

Ver también: Steam

Como se puede ver en el diagrama de fase del agua, en las regiones de dos fases (p. Ej., En el borde de las fases vapor / líquido), la temperatura específica solo establecerá la presión y la presión específica establecerá la temperatura.

• La curva de vapor de saturación es la curva que separa el estado de dos fases y el estado de vapor sobrecalentado en el diagrama Ts.
• La curva de líquido saturado es la curva que separa el estado líquido subenfriado y el estado de dos fases en el diagrama Ts.

Típicamente, la mayoría de las plantas de energía nuclear  opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura) desde un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (punto D). El vapor debe ser recalentado o sobrecalentado.con el fin de evitar daños que puedan ser causados ​​a palas de turbina de vapor por vapor de baja calidad. El alto contenido de gotas de agua puede causar el impacto rápido y la erosión de las cuchillas que ocurre cuando el agua condensada se lanza sobre las cuchillas. Para evitar esto, se instalan drenajes de condensado en la tubería de vapor que conduce a la turbina. El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado está a una presión muy por debajo de la atmosférica, y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

Unidades de energía

La energía generalmente se define como el potencial para hacer trabajo o producir calor. Esta definición hace que la unidad SI para la energía sea la misma que la unidad de trabajo: el joule (J) . Joule es una unidad de energía derivada y lleva el nombre en honor de James Prescott Joule y sus experimentos sobre el equivalente mecánico del calor. En términos más fundamentales, 1 julio es igual a:

1 J = 1 kg.m ² / s ²

Dado que la energía es una cantidad física fundamental y se usa en varias ramas físicas y de ingeniería, hay muchas unidades de energía en física e ingeniería.

• Joule (unidad: J)
• Calorías (unidad: cal)
• Unidad Térmica Britich (unidad: BTU)
• Fuerza pie-libra (unidad: ft.lbf)
• Kilovatio-hora (unidad: kWh)
• Megavatio-día (unidad: MWd)
• Electronvoltio (unidad: eV)

Electronvoltio (unidad: eV)

Electronvoltio (unidad: eV) . Los electronvoltios son una unidad tradicional de energía, particularmente en física atómica y nuclear . Electronvolt es igual a la energía obtenida por un solo electrón cuando se acelera a través de 1 voltio de diferencia de potencial eléctrico . El trabajo realizado sobre la carga está dada por los tiempos de carga la diferencia de voltaje, por lo tanto el trabajo W en electrones es: W = qV = (1,6 x 10 ^-19 C) x (1 J / C) = 1,6 x 10 ^-19 J . Como se trata de una unidad muy pequeña, es más conveniente utilizar múltiplos de electronvoltios: kiloelectrvoltios (keV), megaelectrvoltios (MeV), gigavoltios (GeV), etc. Desde que Albert Einstein demostró quemasa y energía son equivalentes y convertibles una en la otra, el electronvoltio es también una unidad de masa. Es común en la física de partículas, donde las unidades de masa y energía a menudo se intercambian, expresar la masa en unidades de eV / c ² , donde c es la velocidad de la luz en el vacío (de E = mc ² ). Por ejemplo, se puede decir que el protón tiene una masa de 938.3 MeV , aunque estrictamente hablando debería ser 938.3 MeV / c ² . Para otro ejemplo, una aniquilación electrón-positrón ocurre cuando un electrón cargado negativamente y un positrón cargado positivamente (cada uno con una masa de 0.511 MeV / c ²) chocar. Cuando un electrón y un positrón chocan, se aniquilan dando como resultado la conversión completa de su masa en reposo en energía pura (de acuerdo con la fórmula E = mc ² ) en forma de dos rayos gamma (fotones) de 0.511 MeV opuestos .

e ^– + e ⁺ → γ + γ (2x 0.511 MeV)

• 1 eV = 1,603 x 10 ^-19 J
• 1 eV = 3.83 x ^10-20 cal
• 1 eV = 1.52 x 10 ^-22 BTU

Ejemplo de energías en electronvoltios

• Los neutrones térmicos son neutrones en equilibrio térmico con un medio circundante de temperatura 290K (17 ° C o 62 ° F) . La energía más probable a 17 ° C (62 ° F) para la distribución Maxwelliana es 0.025 eV (~ 2 km / s).
• La energía térmica de una molécula está a temperatura ambiente aproximadamente 0.04 eV .
• Aproximadamente 1 eV corresponde a un fotón infrarrojo de longitud de onda de 1240 nm.
• Los fotones de luz visible tienen energías en el rango 1.65 eV (rojo) – 3.26 eV (violeta).
• La primera resonancia en la reacción n + ²³⁸ U es a 6.67 eV (energía del neutrón incidente), que corresponde al primer nivel virtual en ²³⁹ U , tiene un ancho total de solo 0.027 eV, y la vida media de este estado es 2.4 × 10 ^-14 s.
• La energía de ionización del hidrógeno atómico es de 13,6 eV .
• El carbono 14 se desintegra en nitrógeno 14 a través de la desintegración beta (desintegración beta pura). Las partículas beta emitidas tienen una energía máxima de 156 keV, mientras que su energía media ponderada es de 49 keV .
• Los fotones de rayos X médicos de diagnóstico de alta energía tienen energías cinéticas de aproximadamente 200 keV.
• El talio 208, que es uno de los nucleidos en la cadena de descomposición de ²³² U , emite rayos gamma de 2.6 MeV que son muy enérgicos y altamente penetrantes.
• La energía cinética típica de la partícula alfa de la desintegración radiactiva es de aproximadamente 5 MeV . Es causado por el mecanismo de su producción.
• La energía total liberada en un reactor es de aproximadamente 210 MeV por ²³⁵ U de fisión , distribuida como se muestra en la tabla. En un reactor, la energía recuperable promedio por fisión es de aproximadamente 200 MeV , siendo la energía total menos la energía de la energía de los antineutrinos que se irradian.
• El rayo cósmico puede tener energías de 1 MeV – 1000 TeV .

Mesas de Vapor

El agua y el vapor son un fluido común utilizado para el intercambio de calor en el circuito primario (desde la superficie de las barras de combustible hasta el flujo de refrigerante) y en el circuito secundario. Se utiliza debido a su disponibilidad y alta capacidad térmica, tanto para enfriamiento como para calefacción. Es especialmente efectivo para transportar calor a través de la vaporización y la condensación del agua debido a su gran calor latente de vaporización .

Ver también: Propiedades de Steam

Una desventaja es que los reactores moderados por agua tienen que usar un circuito primario de alta presión para mantener el agua en estado líquido y para lograr una eficiencia termodinámica suficiente. El agua y el vapor también reaccionan con metales que se encuentran comúnmente en industrias como el acero y el cobre, que se oxidan más rápido por el agua y el vapor no tratados. En casi todas las centrales térmicas (carbón, gas, nuclear), el agua se usa como fluido de trabajo (usado en un circuito cerrado entre la caldera, la turbina de vapor y el condensador), y el refrigerante (usado para intercambiar el calor residual a un cuerpo de agua). o llévelo por evaporación en una torre de enfriamiento).

El agua y el vapor son un medio común porque sus propiedades son muy conocidas . Sus propiedades están tabuladas en las llamadas ” Tablas de Steam “. En estas tablas, las propiedades básicas y clave, como la presión, la temperatura, la entalpía, la densidad y el calor específico, se tabulan a lo largo de la curva de saturación vapor-líquido en función de la temperatura y la presión. Las propiedades también están tabuladas para estados monofásicos ( agua comprimida o vapor sobrecalentado ) en una red de temperaturas y presiones que se extienden a 2000 ºC y 1000 MPa.

Se pueden encontrar más datos completos y autorizados en la página del NIST Webbook sobre las propiedades termofísicas de los fluidos.

Referencia especial: Allan H. Harvey. Propiedades termodinámicas del agua, NISTIR 5078. Recuperado de https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm