CONSULTA HIDRAULICA DE TUBERÍAS “SISTEMAS DE BOMBEO EN TUBERÍAS”
PAULA ANDREA GARCÍA VALERO-1097396935 OSCAR IVAN ARIAS FRANCO -1094904484 JONATHAN SANCHEZ PAEZ - 1094905129
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
ARMENIA 15 de Junio 2012
CONSULTA 2 HIDRAULICA DE TUBERÍAS
OBJETIVOS 1. Determinar las características generales de un sistema de bombeo 2. Conocer el funcionamiento, concepto y elementos de las bombas centrífugas 3. Diseñar un sistema de Bombeo para un edificio
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TEMARIO
1. 2. 3. 4.
5. 6. 7. 8.
Definición de sistemas de bombeo y bombas hidráulicas ........................................... 4 Clasificación de Bombas ............................................................................................. 7 Generalidades sobre las bombas centrífugas ........................................................... 10 Curva de Operación de una Bomba .......................................................................... 13 Funcionamiento en Paralelo de las bombas ............................................................. 15 Funcionamiento en serie de las Bombas .................................................................. 19 En qué consiste la cavitación en Bombas y cuál es su mecanismo de solución........ 22 Ejemplo de Diseño de sistemas de Bombeo ............................................................. 24
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1. Definición de sistemas de bombeo y bombas hidráulicas. 1 “
Un sistema de bombeo consiste en un conjunto de elementos que permiten el transporte a través de tuberías y el almacenamiento temporal de los fluidos, de forma que se cumplan las especificaciones de caudal y presión necesarias en los diferentes sistemas y procesos. En cuanto a la operación de un sistema de bombeo, hay que tener en cuenta los sistemas de regulación y control que permitan obtener el caudal y la presión deseados, así como los problemas de cavitación, inestabilidades y transitorios que se puedan producir. En un sistema típico, el diseño, consiste en el cálculo y/o selección de:
Las tuberías que enlazan los puntos de origen y destino Elementos como bombas, lugares de almacenamiento y depósitos, que proporcionan la energía necesaria para el transporte Válvulas y equipos de medida, que serían elementos de control
Los cuales permiten cumplir las especificaciones contempladas en el diseño de la forma más económica, además de tener en cuenta la seguridad, fiabilidad, facilidad de mantenimiento, impacto ambiental.”
Imagen 1. Sistema de aspiración para una tubería general 1
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1. Sistemas de Bombeo, BLANCO, EDUARDO MARIGORTA; SUÁREZ, SANDRA VELARDE; FRANCOS, JOAQUÍN FERNÁNDEZ., UNIVERSIDAD DE OVIEDO, GIJÓN 1994. Página 4 de 31
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Imagen 2. Modelos de Red de distribución de agua potable a una población
2.
Una bomba hidráulica, es un dispositivo que se encarga de transferir energía a la corriente del fluido impulsándolo, desde un estado de baja presión estática a otro de mayor presión. Están compuestas por un elemento rotatorio denominado impulsor, el cual se encuentra dentro de una carcasa llamada voluta. Inicialmente la energía es transmitida como energía mecánica a través de un eje, para posteriormente convertirse en energía hidráulica. 2
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2. Tipos de Bombas. Pdf. Resumen. Página 5 de 31
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El fluido entra axialmente a través del ojo del impulsor, pasando por los canales de éste y suministrándosele energía cinética mediante los álabes que se encuentran en el impulsor para posteriormente descargar el fluido en la voluta, el cual se expande gradualmente, disminuyendo la energía cinética adquirida para convertirse en presión estática. El fluido que es incompresible, puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos. Es común encontrar el término bomba para referirse a máquinas que bombean otro tipo de fluidos, así como lo son las bombas de vacío o las bombas de aire.
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2. Clasificación de Bombas . Según el principio de funcionamiento La principal clasificación de las bombas se realiza atendiendo al principio de funcionamiento en el que se basan: -
Bombas de desplazamiento positivo o volumétricas, en las que el principio de funcionamiento está basado en la hidrostática, de modo que el aumento de presión se realiza por el empuje de las paredes de las cámaras que varían su volumen. En este tipo de bombas, en cada ciclo el órgano propulsor genera de manera positiva un volumen dado o cilindrado, por lo que también se denominan bombas volumétricas. En caso de poder variar el volumen máximo de lo cilindrado se habla de bombas de volumen variable. Si ese volumen no se puede variar, entonces se dice que la bomba es de volumen fijo. A su vez este tipo de bombas pueden subdividirse en: a) Bombas de émbolo alternativo, son las que tienen uno o varios compartimentos fijos, pero de volumen variable, por la acción de un émbolo o de una membrana. En estas máquinas, el movimiento del fluido es discontinuo y los procesos de carga y descarga se realizan por válvulas que abren y cierran alternativamente. Ejemplos: la bomba alternativa de pistón, la bomba rotativa de pistones o la bomba pistones de accionamiento axial, bomba aspirante y bomba impelente. b) Bombas volumétricas rotativas o rotoestáticas, son las que una masa fluida es confinada en uno o varios compartimentos que se desplazan desde la zona de entrada (de baja presión) hasta la zona de salida (de alta presión) de la máquina. Ejemplos: la bomba de paletas, la bomba de lóbulos, la bomba de engranajes, la bomba de tornillo o la bomba peristáltica.
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Bombas rotodinámicas, en las que el principio de funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre la máquina y el fluido, aplicando la hidrodinámica. En este tipo de bombas hay uno o varios impulsores con álabes que giran generando un campo de presiones en el fluido. En este tipo de máquinas el flujo del fluido es continuo. Estas máquinas hidráulicas generadoras, pueden subdividirse en: Página 7 de 31
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a) Radiales o centrífugas, cuando el movimiento del fluido sigue una trayectoria perpendicular al eje del rodete impulsor Las centrífugas, cuando se necesitan grandes alturas y pequeños caudales. b) Axiales, cuando el fluido pasa por los canales de los álabes siguiendo una trayectoria contenida en un cilindro. La utilización de bombas axiales está indicada cuando se necesitan grandes caudales con pequeñas alturas de elevación. c) Mixtas cuando la trayectoria del fluido se realiza en otra dirección entre las anteriores, es decir, en un cono coaxial con el eje del rodete. Las bombas mixtas constituyen un caso intermedio. . Según el tipo de accionamiento a) Electrobombas. Genéricamente, son aquellas accionadas por un motor eléctrico, para distinguirlas de las motobombas, habitualmente accionadas por motores de explosión b) Bombas neumáticas que son bombas de desplazamiento positivo en las que la energía de entrada es neumática, normalmente a partir de aire comprimido. c) Bombas de accionamiento hidráulico, como la bomba de ariete o la noria. d) Bombas manuales. Un tipo de bomba manual es la bomba de balancín.
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Bombas de desplazamiento positivo o volumétricas
Bombas de émbolo alternativo
Bombas volumétricas rotativas o rotoestáticas
Bombas Rotodinámicas
Bomba Centrífuga
Bomba Axial Bomba Mixta
Tabla 1. Clasificación de Bombas Hidráulicas por Principio de Funcionamiento Hay otras muchas características que hacen a las bombas susceptibles de clasificaciones distintas, y así se pueden tener bombas de una o varias etapas, bombas de cámara partida, bombas auto aspirantes, bombas sumergibles, bombas horizontales o verticales, etc.
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3. Generalidades de las Bombas Centrífugas. 3
Una bomba centrífuga es una máquina que consiste de un conjunto de paletas rotatorias encerradas dentro de una caja o cárter, o una cubierta o coraza. Se denominan así porque la cota de presión que crean es ampliamente atribuible a la acción centrífuga. Las paletas imparten energía al fluido por la fuerza de esta misma acción. Así, despojada de todos los refinamientos, una bomba centrífuga tiene dos partes principales: 1. Un elemento giratorio, incluyendo un impulsor y una flecha, 2. Un elemento estacionario, compuesto por una cubierta, estoperas y chumaceras. Carcasa. Es la parte exterior protectora de la bomba y cumple la función de convertir la energía de velocidad impartida al líquido por el impulsor en energía de presión. Esto se lleva a cabo mediante reducción de la velocidad por un aumento gradual del área. Impulsores. Es el corazón de la bomba centrífuga. Recibe el líquido y le imparte una velocidad de la cual depende la carga producida por la bomba. Anillos de desgaste. Cumplen la función de ser un elemento fácil y barato de remover en aquellas partes en donde debido a las cerradas holguras entre el impulsor y la carcasa, el desgaste es casi seguro, evitando así la necesidad de cambiar estos elementos y quitar solo los anillos. Estoperas, empaques y sellos. La función de estos elementos es evitar el flujo hacia fuera del líquido bombeado a través del orificio por donde pasa la flecha de la bomba y el flujo de aire hacia el interior de la bomba. Flecha. Es el eje de todos los elementos que giran en la bomba centrífuga, transmitiendo además el movimiento que imparte la flecha del motor. Cojinetes. Sirven de soporte a la flecha de todo el rotor en un alineamiento correcto en relación con las partes estacionarias. Soportan las cargas radiales y axiales existentes en la bomba. Bases. Sirven de soporte a la bomba, sosteniendo el peso de toda ella.
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Imagen 3, 4 y 5. Interior y exterior de Bomba Centrífuga.
En bombas de alta presión pueden emplearse varios rotores en serie, y los difusores posteriores a cada rotor pueden contener aletas de guía para reducir poco a poco la velocidad del líquido. En las bombas de baja presión, el difusor suele ser un canal en espiral cuya superficie transversal aumenta de forma gradual para reducir la velocidad. El rotor debe ser cebado antes de empezar a funcionar, es decir, debe estar rodeado de líquido cuando Página 11 de 31
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se arranca la bomba. Esto puede lograrse colocando una válvula de retención en el conducto de succión, que mantiene el líquido en la bomba cuando el rotor no gira. Si esta válvula pierde, puede ser necesario cebar la bomba introduciendo líquido desde una fuente externa, como el depósito de salida. Por lo general, las bombas centrífugas tienen una válvula en el conducto de salida para controlar el flujo y la presión.
FUNCIONAMIENTO El flujo entra a la bomba a través del centro u ojo del impulsor y el fluido gana energía a medida que las paletas del rodete lo transportan hacia fuera en dirección radial. Esta aceleración produce un apreciable aumento de energía de presión y cinética, lo cual es debido a la forma de caracol de la voluta para generar un incremento gradual en el área de flujo de tal manera que la energía cinética a la salida del impulsor se convierte en cabeza de presión a la salida.
Imagen 6. Principio de funcionamiento de una bomba centrífuga 3
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Qué es una bomba centrífuga. Pdf. Resumen Página 12 de 31
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4. Curva de operación de una bomba. La altura de elevación de una bomba rotodinámica depende fundamentalmente del caudal que circula por ella, lo que quiere decir que va a estar definida por su acoplamiento con el sistema. Si se considera la bomba de forma aislada, la curva que representa la altura proporcionada por la bomba en función del caudal se llama curva característica.
Imagen 7. Curva Característica de una bomba Centrífuga
Imagen 8. Curva Característica de una bomba Axial
Para la determinación de las curvas características de la bomba de ensayo, se necesita por un lado poder ir imponiendo sucesivamente distintos puntos de funcionamiento para la bomba, es decir, distintos caudales. Para cada punto de funcionamiento se habrán de tomar las medidas necesarias con los instrumentos disponibles para, posteriormente,
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calcular los valores correspondientes de caudal, altura de elevación, potencia y rendimiento. Las curvas características se terminarán construyendo por repetición de ese proceso para un suficiente número de puntos de funcionamiento. En general el punto de funcionamiento de una bomba es el resultado del acoplamiento entre la energía específica que puede suministrar la bomba al fluido, que es dependiente del caudal según marca su curva característica de altura de elevación, y la energía específica que demanda el circuito en los conceptos de salto energético entre extremos de la conducción y de pérdidas de carga viscosas, las cuales también son dependientes del caudal. La dependencia entre la energía demandada por el circuito y el caudal (típicamente parabólica) da lugar a la llamada curva resistente del circuito.
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http://ocwus.us.es/ingenieria-agroforestal/hidraulica-yriegos/temario /Tema%207.%20Bombas/tutorial_13.htm Página 14 de 31
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5. Funcionamiento en paralelo de las bombas 4
En instalaciones importantes en las que se prevé una significativa fluctuación de caudal, por ejemplo una comunidad de regantes o una ciudad, resulta interesante repartir la demanda máxima de caudal entre varias bombas iguales acopladas en paralelo, descargando a la vez en un colector común conectado a la tubería de impulsión.
Imagen 9. Conexión de tres bombas en paralelo
A medida que aumenta la demanda de caudal en la red, irían entrando una a una en funcionamiento. Lo normal es que la puesta en marcha y la parada de las sucesivas bombas se haya automáticamente. Bombas iguales: La curva característica H-Q de n bombas iguales acopladas en paralelo se multiplica por n el caudal correspondiente a una de ellas: Si la curva característica de cada bomba es: H = a + c · Q2
Al acoplar las bombas en paralelo, el caudal total Q demandado se reparte por igual entre ellas. La expresión matemática de las curvas resultantes sería:
H=a+c· Página 15 de 31
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· Supongamos 2 bombas iguales en paralelo, la curva I es la característica común a cada una de las bombas, Imagen 9. La característica del conjunto, curva II, se obtiene multiplicando por dos para cada altura manométrica, las abscisas correspondientes a la primera curva. La curva C es la característica de la tubería, en la que se ha tenido en cuenta la altura geométrica a la que se encuentra el depósito, y cuya intersección con la curva característica conjunta II, da el punto de funcionamiento B del conjunto bombas-tubería de impulsión.
Cada bomba funcionará con un caudal
y una misma altura manométrica HmB .
En el caso de una sola bomba, el punto de funcionamiento estaría en A, y el caudal bombeado sería, QA
, por cuanto, HmB
HmA .
Para n bombas iguales acopladas en paralelo la construcción sería idéntica.
Imagen 10. Acoplamiento de bombas idénticas en paralelo
En resumen: Página 16 de 31
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Q = Q 1 + Q2 H = H 1 = H2
Bombas diferentes: Lo más frecuente y deseable es que las bombas a acoplar sean iguales, aunque es frecuente instalar bombas auxiliares más pequeñas para mantener en carga la red cuando no hay demanda y para cubrir pequeños caudales.
Cuando trabajan a la vez: Q = Q 1 + Q2 Despejando Q de la ecuación característica H = H (Q) arriba indicados, se obtiene para cada bomba: Q1 = Q1 (H) Q2 = Q2 (H) Con lo que la curva característica conjunta será: Q1 (H) + Q2 (H) = Q En la Imagen 11. Se muestra las curvas de 2 bombas diferentes, A y B y de la combinación de las bombas en paralelo, C.
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Imagen 11. Acoplamiento de dos bombas diferentes en paralelo
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6. Funcionamiento en serie de las bombas 4
Cuando 2 ó más bombas se acoplan en serie, Imagen 12, el caudal va sufriendo sucesivamente una relevación, de altura cuando están distantes y de presión cuando está una inmediatamente después de la otra.
Imagen 12. Conexión de dos bombas en serie Es poco frecuente encontrar instalaciones con bombas diferentes acopladas en serie. El acoplamiento en serie resulta de interés cuando hay que suministrar alturas elevadas y existe limitación de diámetros (por ejemplo, bombas en pozo profundo); son las bombas multicelulares, Imagen 13.
Imagen 13. Bomba multicelular constituida por 4 rodetes iguales (impulsores) acoplados en serie
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Si las curvas características de una bomba son: H = a + c · Q2
Las curvas características resultantes de n bombas iguales montadas en serie serían: H = n · (a + c · Q2)
Dos o más bombas están acopladas en serie, cuando el tubo de impulsión de una de ellas, está unido al de aspiración de la siguiente, y así sucesivamente. Las diferentes bombas tendrán el mismo caudal, mientras que la altura manométrica resultante será la suma de las alturas manométricas correspondientes a cada bomba, es decir: H = HA + HB Q = QA = QB Para determinar el punto de funcionamiento conjunto, hay que determinar la curva característica conjunta de las bombas en serie, y hallar su intersección con la curva característica de la conducción.
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Para ello se dibujan sobre un mismo gráfico, Imagen 14, las curvas características de las bombas individuales; a continuación se traza, para un caudal cualquiera QA, la vertical correspondiente, y sobre ella se llevan las alturas manométricas correspondientes a cada bomba, que se sumarán, obteniéndose así la altura manométrica total del conjunto para dicho caudal QA y así sucesivamente para los demás caudales, dando esto lugar a la curva característica conjunta. Para conseguir el punto de funcionamiento, hay que actuar siempre dentro de la zona de rendimientos óptimos, y procurar que en dicha zona se produzca la intersección de las curvas características de la tubería y del conjunto de las bombas.
Imagen 14. Acoplamiento de dos bombas distintas en serie. Si se pretende obtener un aumento de la altura manométrica, manteniendo sensiblemente el caudal constante, el acoplamiento en serie permite obtener, con un rendimiento del orden del de una sola bomba, que la característica de la tubería de impulsión vuelva a cortar a la característica conjunta de las bombas en serie, no lejos de la vertical que pasa por el caudal bombeado por una sola bomba qA. Hay que tener presente también que, así como en el acoplamiento en paralelo no se presentan dificultades, en el acoplamiento en serie es preciso tener en cuenta que la presión de aspiración de una bomba cualquiera, se corresponde con la presión de impulsión de la bomba precedente.
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7. En qué consiste la cavitación en bombas y cuál es su mecanismo de solución 5
La cavitación es un fenómeno indeseable que puede ocurrir durante el funcionamiento de las bombas centrífugas. Es importante señalar que la cavitación se produce debido a algún error durante el diseño del sistema de bombeo. Si la bomba centrífuga trata de expulsar más líquido del que puede absorber se producirá un efecto de vacío en el interior de la bomba. Esto, obviamente, reducirá la presión por lo que se producirán burbujas de vapor (dicho de otra forma, cuando se alcanza la presión de vapor, el fluido se vaporiza y forma pequeñas burbujas de vapor) que principalmente rozarán a los álabes de los impulsores de la bomba, sin dejar de afectar otros componentes. La cavitación tiene un efecto realmente destructivo (llamado corrosión por cavitación) en la estructura de la bomba centrífuga. Entre las características de una bomba centrifuga que ha sufrido daños por cavitación puede destacarse la erosión de los impulsores de la bomba centrifuga, la cual se da a tal grado, que las paredes del mismo pueden llegar a alcanzar el espesor de un papel, e inclusive, presentar grandes perforaciones con bordes muy afilados. Tipos de cavitación Suele clasificarse la cavitación en dos tipos:
a) Cavitación de succión: La cavitación de succión ocurre si la succión de la bomba centrifuga se encuentra en condiciones de “baja presión” y consecuente “alto vacío” por lo que el líquido se transforma en vapor a la entrada del impulsor.
b) Cavitación de descarga: La cavitación de descarga ocurre a causa de que la descarga de la bomba centrifuga se encuentra muy elevada. Posibles soluciones para evitar la cavitación a) El problema de la cavitación pudiera resolverse aumentando la presión del fluido a la entrada de la bomba centrífuga. b) En algunos casos pudiera funcionar reducir el flujo de salida de la bomba centrífuga para evitar la cavitación. c) Es posible que elevar el nivel del tanque de succión resuelva el problema de la cavitación. Página 22 de 31
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d) Eliminar cualquier posible obstrucción que pudiera presentarse en las tuberías del sistema de bombeo que probablemente pueda ser la causa de la cavitación
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http://bombascentrifugas.info-tecnica.org/introduccion-a-la-cavitacion-en-bombascentrifugas/
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8. Ejemplo de diseño de sistemas de bombeo para: - Tipo de Bomba: centrifuga - Edificio de 10 pisos (Hpiso = 3,0) - Número de Aptos (5 Habitantes por Apto) = Promedio de los dos últimos dígitos del código estudiantil. (Mínimo = 10 Aptos, si promedio < 10 Aptos) = 50 Apartamentos en este caso. - Dotación por habitante = 100 L/hab-dia - Edificio localizado en la ciudad de Armenia - El sistema de bombeo alimenta un tanque elevado localizado 5 metros por encima del último piso. - Caudal de Diseño = Referencia RAS – 2000 (Acueductos) - Tubería = PVC (Diámetros comerciales) - Tiempo de llenado tanque elevado = 2-3 horas
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RAS. Título B. SISTEMAS DE ACUEDUCTO. Catálogo de Hidromac Online, Bombas Centrífugas. Página 24 de 31
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SOLUCIÓN. CALCULO DEL CAUDAL MÁXIMO DIARIO CAUDAL MAXIMO = 250000 lt/s - NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA: BAJO, SEGÚN LA RAS 2000 TITULO B TABLA B.2.2 100 Lt/HAB.DIA
CORRECCION POR VARIACION DEL CLIMA TABLA B.2.3 PORCENTAJE =10% LA DOTACION ES = 110 Lt/HAB.DIA
CORRECION POR PERDIDAS TECNICAS TABLA B.2.4 PORCENTAJE = 20%
- DOTACION BRUTA
CALCULO DOTACION BRUTA
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- DEMANDA
CAUDAL MEDIO DIARIO
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CAUDAL MAXIMO DIARIO
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K1: TABLA B.2.5 RAS 2000 TITULO B
CAUDAL MAXIMO HORARIO
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ENTRE A Y B
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ENTRE B Y C
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REMPLAZANDO 1 EN 2
(3)
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FORMULA DE BLASSIUS
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((
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))
((
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REMPLAZAMOS EN 3 )
(( ((
)
) )
REEMPLAZAMOS LOS RESPECTIVOS VALORES
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⁄ ⁄ ⁄
POR CONTINUIDAD TENEMOS
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)
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REEMPLAZAMOS VALORES EN LA ECUACION
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(
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) (
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POTENCIA DE LA BOMBA SEGÚN LA RAS 2000
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CARACTERISTICAS DE LA BOMBA
HIDROPRESS 11 HP 3”x3” DIESEL
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Línea Hidropress Caudal hasta 250 gpm/60 m³/h Elevación hasta 105 m Descarga 1½”, 2”, 3” y 4”. Compacta, portátil, de una etapa para alta presión. Acoplada con motores eléctricos, trifásicos o Monofásicos (hasta 10 HP) a gasolina ó diesel. Carcasa provista de salida adicional para eyector, ideal En agricultura, riego por aspersión, exploraciones Mineras y en general donde se requiera agua a presión. CATALOGO DE HIDROMAC
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ESQUEMA
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