Diseño y construcción de una bomba de vacio por anillo liquido
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(2) CONTENIDO. 1. INTRODUCCION. 3. 2. OBJETIVOS. 4. 3. NOMENCLATURA. 5. 4. MARCO TEORICO. 6. 5. DIS EÑO. 7. a. Capacidad de succión. 8. b. Rotor y excentricidad. 9. c. Inmersión “a”. 10. d. Presión de descarga. 11. e. Velocidad del liquido. 12. f. Puertos de succión y descarga. 13. g. Diseño de sistema de realimentación. 14. h. S ellos. 14. i. Materiales. 14. 6. CONS TRUCCION. 15. 7. FUNCIONAMIENTO. 17. a. Montaje. 18. b. Curva de la Bomba. 18. 8. RECOMENDACIONES. 21. 9. PLANOS. 22. 10. CONCLUS IONES. 30. 11. BIBLIOGRAFIA. 31. 2.
(3) 1. INTRODUCCION. El funcionamiento de la bomba de vacío por anillo liquido consiste en atrapar un gas (aire) entre las aspas de un rotor excéntrico y un anillo de agua, donde a medida que avanza el rotor va aumentando el volumen en cada cavidad hasta llegar al punto de máxima excentricidad del rotor. Luego, a medida que el rotor sigue avanzando, cada cavidad va reduciendo su volumen, generando así una compresión casi isotérmica. Una vez alcanzada la compresión del aire gracias a la reducción volumétrica y a la energía que el líquido le proporciona, el aire se encuentra frente al puerto de descarga, para salir a una presión mayor.. Estas bombas han sido utilizadas desde finales del siglo XIX, principalmente para la producción de vidrios, hoy en día son utilizadas para en la generación de plásticos, productos farmacéuticos, en la industria textil, producción de energía y una cantidad de procesos industriales. Las bombas de vacío juegan también un papel importante en el desarrollo de nuevas tecnologías, donde en algunos casos es necesario crear un ambiente de vacío apropiado para pruebas y elementos.. Este Proyecto de grado, muestra la forma como se diseño y se construyo una bomba de vacío por anillo líquido. También muestra las ventajas y deficiencias de este tipo de bomba.. 3.
(4) 2. OBJETIVO. Diseñar y construir una bomba de vacío por anillo de agua, que de una presión de salida de 68.910 Pa aproximadamente.. Diseñar un sistema de realimentación para las perdidas que existen dentro de la bomba, debido al rozamiento, fugas y partículas de agua que salen junto con el aire.. 4.
(5) 3. NOMENCLATURA. P ⇒ Presión en la succión [Pa] r ⇒ Radio del rotor [mm] r ⇒ Radio del cubo del rotor [mm] r ⇒ Radio externo del anillo liquido [mm] q ⇒ Fracción volumétrica de las aspas [ mm 1. 2. n. g. 3. Sch. / seg ]. •. V ⇒ Flujo a través de la bomba [ mm3 / seg ] S ⇒ Espesor del aspa [mm] b ⇒ Ancho del aspa [mm] e ⇒ Excentricidad [mm] Z ⇒ Numero de aspas [-] w ⇒ Velocidad del motor [ rad / seg ] n ⇒ Velocidad rotacional por unidad de tiempo [ mm / seg ] p1 ⇒ Presión del aire en la succión [Pa] p 2 ⇒ Presión del aire en la descarga [Pa]. ρ ⇒ Densidad del aire [ kg / mm3 ] χ ⇒ Factor de fricción y geometría de las aspas [-] u 2 ⇒ Velocidad tangencial del rotor [ mm / seg ] a ⇒ Inmersión [mm]. 5.
(6) 4. MARCO TEORICO. Las bombas de vacío por anillo líquido se encuentran dentro del grupo de las bombas de desplazamiento positivo. A su vez, este tipo de bombas son denominadas de “paletas deslizantes” y constan generalmente de un rotor excéntrico montado en un eje dentro de una carcasa. La idea es que la fuerza centrifuga del rotor haga seguir el liquido alrededor de la carcasa, dejando en el centro de esta aire que se va comprimiendo a medida que el rotor va girando. Este tipo de bombas tiene grandes ventajas comparadas con las demás, puesto que tiene una larga vida, son de poco mantenimiento y no hay piezas que estén friccionando todo el tiempo. A su vez, hay que tener mucho cuidado con los ajustes y los sellos, ya que un mal ajuste podría ocasionar la perdida de presión dentro de la bomba y provocar el no generar vacío dentro de la misma.. Para comprender un poco algunos conceptos que serán usados a través del desarrollo del Proyecto de Grado, se definen algunos conceptos básicos: •. Presión en la succión: presión a la que ingresa el aire (atmosférica).. •. Cubo del rotor: Es el base del rotor, en él, se encuentran acopladas las aspas.. •. Fracción volumétrica de las aspas: Fracción de volumen que ocupan el total de las aspas.. •. Flujo a través de la bomba: Es la velocidad por unidad de área de aire que entra en la bomba.. •. Excentricidad: Distancia entre el centro del rotor y el centro geométrico de la bomba.. •. Presión del aire en la descarga: presión total a la que el aire es descargado.. •. Factor de fricción y geometría de las aspas:. 6.
(7) 5. DIS EÑO. Antes de empezar a diseñar la bomba, se tomaron en cuenta las restricciones a las que estaba sometida: •. Revoluciones del motor: 1750 r.p.m.. •. Se debe poder ver lo que esta sucediendo dentro de la bomba (parte de la bomba en acrílico). •. Debe generar un vacío de XXX aproximadamente.. Una vez establecidas estas restricciones se inicio con la fase de diseño y se tomaron en cuenta los siguientes tópicos:. a. Capacidad de succión b. Rotor y excentricidad c. Inmersión “a” d. presión de descarga e. Velocidad del liquido f. Puertos de succión y descarga g. Diseño de sistema de realimentación h. S ellos i. Materiales. 7.
(8) a. Capacidad de succión. La capacidad de succión de esta bomba de vacío, consiste en la cantidad de volumen que el rotor pueda atrapar entre sus aspas y el anillo liquido en determinada unidad de tiempo. Para poder hacer calcular esto, se asumirá que las aspas del rotor son rectas. Aunque en realidad sean curvas para mejor la eficiencia de la maquina, el calculo es bastante acertado. De esta forma vemos que el flujo total de la bomba es igual a:. Aspa. Cubo del Rotor Cavidad de Aire Anillo líquido. Figura • ⎛ + ⎞ V = (r 2 − r n )× b × ⎜⎜ r 2 r n ⎟⎟ × w − qSch ⎝ 2 ⎠. 1. Donde,. q. , a su vez es igual a:. q. = b × S × (r 2 − r n )× n × Z 2. Sch. Sch. 1. FARAGALLAH, W. Hakim. Liquid Ring Vacuum Pumps and Compressors, Pag 23. 8.
(9) Donde, b = 50mm S = 4mm. r r. 2 n. = 81.45mm = 27 mm. n = 29.17 rev seg Z = 16. De acuerdo a estos valores la fracción de volumen por unidad de tiempo ocupada por las aspas del rotor es:. q. = (50 )× (4 )× (81.45 − 27 )× 29,17 × 16. q. = 5082580,8 mm seg. Sch. 3. Sch. Entonces, • ⎛ 81.45 + 27 ⎞ V = (81,45 − 27 )× 50 × ⎜ ⎟ × 183.26 − 5´082.580,8 2 ⎝ ⎠ •. 3. V = 27´054.227,1 − 5´082.580,8 = 21´971.646 mm seg. a Presión constante.. b. Rotor y excentricidad. Los radios del rotor se escogieron teniendo en cuenta que la relación entre el espesor del aspa y el radio del rotor debe estar entre 0.04 y 0.06. En este caso el valor de tal relación es igual a 0.049. Esto nos indica que los radios establecidos anteriormente se encuentran dentro del rango establecido para el buen funcionamiento de la bomba.. El número de aspas de las bombas de vacío por anillo líquido debe estar entre 16 y 24, de acuerdo a estudios realizados. En este caso y de acuerdo con la experiencia se tomo 16 aspas como el numero de aspas establecido. 2. FARAGALLAH, W. Hakim. Liquid Ring Vacuum Pumps and Compressors, Pag 23. 9.
(10) Se puede establecer una relación entre el radio del hub del rotor y el radio del rotor. Esta relación recibe el nombre de “nu” ( υ ), igual a:. υ=. r r. n. =. 2. 27 = 0,33 3 81.45. Podemos correlacionar también el numero de aspas del rotor (Z), el ancho de la misma (S) y la relación “nu” ( υ ), en un solo factor, denominado factor del aspa “ f ”, donde:. f = 1−. S ×Z (1 +υ )r 2 π. f =1 −. 4 × 16 = 1 − 0,188 = 0,812 (1 + 0.33)81,45π. 4. Todo esto con el fin de establecer la excentricidad de la bomba, que se define como: e=. (. ). r2 × 1− υ 2 × f 4. 5. Entonces, e=. (. ). 81.45 × 1 − 0.332 × 0.812 = 14,73mm 4 c. Inmersión “a”. Para que las aspas impulsen de forma adecuada el anillo líquido, es necesario que las aspas se hundan un poco dentro del agua. La inmersión “a” esta definida como el valor que el aspa se hunde dentro del anillo liquido en su parte más excéntrica. Para esto Graw calculo las inmersiones para una serie de bombas y con base a esos resultados estableció la siguiente tabla: 3 4 5. FARAGALLAH, W. Hakim. Liquid Ring Vacuum Pumps and Compressors, Pag 69 FARAGALLAH, W. Hakim. Liquid Ring Vacuum Pumps and Compressors, Pag 69 FARAGALLAH, W. Hakim. Liquid Ring Vacuum Pumps and Compressors, Pag 69. 10.
(11) r2[mm] 110 165 230 285. a[mm] 6,05 11,4 15,9 18,5. Una vez linealizados los valores, la ecuación que arroja es la siguiente: a = 0,0709 × (r2 ) − 1,0424 Entonces para nuestro valor de r2 = 81,45, la inmersión “a” será igual a: a = 4,732mm. d. presión de descarga Para calcular la presión de descarga hay que tener en cuenta la ley de continuidad y la energía que le proporciona el anillo liquido a la compresión. De tal forma que: p 2 ⎡ ρ × χ 2 × u 22 ⎤ 6 = + 1⎥ p1 ⎢⎣ 3 × p1 ⎦ Donde el factor χ >1. si las aspas del rotor son curvas, puesto que esto aumenta la. velocidad del liquido en el extremo, a su vez si tenemos en cuenta la fricción χ <1, así pues si sacamos un promedio podemos hacer χ =1 para nuestro caso. ⎤ p 2 ⎡ ρ air × u 22 =⎢ + 1⎥ p1 ⎣ 3 × p1 ⎦. u 2 = w × r2 = 183.26 × 81.45 = 14.926,53 mm seg = 14,926 m seg p1 = p atm = 74.660,53Pa. 6. FARAGALLAH, W. Hakim. Liquid Ring Vacuum Pumps and Compressors, Pag 27. 11.
(12) ⎡ ρ air × u22 ⎤ ⎡ 1,204 × 222,79 ⎤ p2 = p1 × ⎢ + 1⎥ = 74.660,53 × ⎢ + 1⎥ = 164074,22 Pa − 74.660,53 = 89.413,7 Pa 223,98 ⎦ ⎣ ⎣ 3 × p1 ⎦ Presión Teórica = 89.413,7 Pa = 12.97psi. e. Velocidad del líquido Para calcular la velocidad del líquido es necesario asumir lo siguiente: a) Las aspas del rotor son rectas b) La inmersión”a” es igual a cero (0) c) La presión a lo largo del anillo liquido es constante d) No hay fricción. La velocidad del rotor en su extremo va a ser igual a: v2 = w × r2 = 183.26 = 14926,53 mm seg Pero la velocidad del líquido tiene un desfase con respecto a la velocidad del rotor. Ese desfase “ S a ”se incrementa con el aumento de la velocidad del rotor y a medida que nos. 12.
(13) alejamos del aspa del rotor. Entonces, si asumimos un desfase recomendado para el punto donde termina el aspa de S a = 0.1 , el valor máximo de la velocidad de líquido seria: vl −max = v 2 (1 − S a ) = 14926,3 × 0,9 = 13433,87 mm seg. f. Puertos de succión y descarga. El puerto de descarga de ser más grande que el puerto de succión. Además este debe empezar hacia los 15° o 20° y debe terminarse hacia los 120°. M ientras que el puerto de descarga debe iniciar hacia los 280° y deberá terminarse hacia lo 345°.. A continuacion se presenta una grafica del comportamiento de la presión con respecto al Angulo de giro del rotor.. 13.
(14) g. S istema de realimentación El sistema de realimentación consiste en aprovechar la succión de la bomba y por medio de una manguera realimentar el agua que se va perdiendo en la descarga. Esto se hizo por medio de agujeros en la cavidad de la descarga y de la succión a 45°.. La bomba presenta también otro orificio donde se le puede suministrar agua directamente, en caso que haya pérdidas en el sistema de realimentación.. h. S ellos Mecánicos Para la selección de los sellos mecánicos se tomo un sello sello que tuviera el diámetro acorde al eje seleccionado. Luego se miro la presión máxima teórica a la que podría estar sometido el sello y se escogió el mas adecuado con la relación costo / beneficio. Una vez escogido el sello, se hizo una prueba expererimental, donde se sometió al sello a la presión y al liquido a los que estaría trabajando. La prueba fue exitosa ya que el sello no presento ninguna fuga ni alguna falla durante la prueba.. i. Materiales En la bomba se usaron básicamente tres tipos de materiales: •. Aluminio: Es el material mas usado en toda la bomba. Con él se construyeron la carcasa, los soportes de los rodamientos y sellos mecánicos, la tapa de descarga, el eje y el hub del rotor.. •. PVC: Este material se uso únicamente para la construcción de las aspas.. 14.
(15) •. acrílico: En esta material están fabricadas la tapa de succión y una de las tapas de cavidad de la succión, con el fin de ver lo que esta sucediendo dentro de la bomba.. 6. CONS TRUCCION. El proceso de construcción se dividió en tras partes: •. Rotor: Esta parte fue la primera que se construyo. Se comenzó por el “hub del rotor”, el cual se maquinaron 16 ranuras con una fresa de 5/16”. Luego se cortaron 16 aspas en PVC que ajustaron directamente en las 16 ranuras del hub del rotor. Estos dos materiales se unieron por medio de soldadura epóxica. Una vez terminado el rotor se procedió a la construcción de la carcasa.. Figura 6.1.. 15.
(16) •. Carcasa: La carcasa debía ser fundida, debido a su gran tamaño y la complejidad de su geometría. Para esto primero se construyen unos moldes con un margen del 1.1% mas grandes sobre sus dimensiones debido a la compresión por la fundición. Una vez fundidas las piezas, se maquinaron para darle los ajustes necesarios y mejorar el aspecto.. Figura 6.2.. •. Tapas en acrílico: Con la carcasa y el rotor terminados, se procedió a realizar la parte en acrílico. Las tapas se dejaron aproximadamente 3 milímetros más grandes para que entraran a presión sobre la carcasa de aluminio y se sellaron con silicona para impedir algún tipo de fuga a la hora de poner en marcha la bomba.. 16.
(17) Figura 6.3. 7. FUNCIONAMIENTO. Para los primeros ensayos que se realizaron con la bomba, esta dio una presión de 8 psi ó 55.128 Pa, esto es equivalente a un 61% sobre el valor teórico, este resultado es excelente. Después de que la maquina funciono por vario tiempo, uno de los orificios de las tapas de acrílico cedió, creando fugas internas en la bomba y obviamente disminuyendo la presión de salida que cayó a 4 psi ó 27.924 Pa.. 17.
(18) a. Montaje. El montaje consiste en adaptar en la descarga de la bomba un sistema para medir presión y velocidad. En la parte superior de la bomba (la descarga) se hizo una rosca donde se adapto una “T” con el fin de ubicar en el centro de esta un manómetro y permitir el libre flujo de aire hacia una válvula que controla el área de escape del aire.. b. Prueba. Inicialmente se midió la máxima presión que arroja la bomba y fue equivalente a 8 psi. Después poner la bomba a un largo trabajo esta presento un daño en una de la tapas de acrílico. El daño consistió en el ampliamente del orificio del eje de la tapa central. Esto provoco fugas internas y por supuesto una caída en la presión de salida, que paso de 8 psi a 4 psi. 18.
(19) Sin embargo la prueba se realizo con la bomba dañada y esto fue lo que nos arrojo:. Velocidad. Presión. [m/s]. [psi]. 0. 3,91. 1,12. 2,82. 1,22. 1,93. 1,34. 0,96. 1,47. 0. CURVA DE PRESIÒN 5. PRESION. 4 3 2 1 0 0. 0,5. 1. 1,5. 2. VELOCIDAD. Aunque estos no son los verdaderos valores de esta bomba, la forma de la curva es valida para los verdaderos valores.. 19.
(20) RES ULTADOS :. r.p.m. 1750 Velocidad máxima del fluido: 1470 mm s Presión máxima: psi Área: 19.63 mm 2 3 Caudal: 28856 mm s. Para una mejor exactitud en los datos de la prueba es recomendable utilizar un Tubo de Pitot en vez de un anemómetro, por la características del caudal.. 20.
(21) 8. RECOMENDACIONES. 1. Al sistema de realimentación de la bomba, es necesario añadirle un censor dentro de una manguera externa a la bomba que indique con mayor exactitud cuando el nivel de agua cae.. 2. Insertarle a la bomba un variador de velocidad al motor, ya al prenderlo y apagarlo drásticamente, puede generar algunos daños.. 3. Para obtener la curva de la bomba con mayor exactitud es necesario utilizar un tubo de Pitot en vez de un anemómetro.. 21.
(22) 9. PLANOS. 22.
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(30) 10. CONCLUS IONES •. La Bomba de Vació por anillo Liquido es una excelente maquina, ya que por no tener piezas en contacto, no hay fricción y por tanto no hay desgaste de las partes que la conforman.. •. La modificación de las aspas curvas con respecto a otras bombas de vacío, incrementa la velocidad del anillo de agua, generando mas presión a la salida.. •. En la curva de la bomba vemos que la máxima presión de salida es cuando no hay velocidad del fluido, esto es cuando el escape se mantiene cerrado. Por otra parte el punto de mas baja presión, el cero atmosférico, ocurre cuando la salida esta totalmente abierta.. 30.
(31) 11. BIBLIOGRAFIA. •. FARAGALLAH, W. Hakim. Liquid Ring Vacuum Pumps and Compressors. •. ROBERT L., Norton. Diseño de M aquinaria. •. EDWARDS, Hicks, Pump Application Engineering. •. Documento: Liquid Ring Pump Disassembly & Assembly Instructions. Pdf. •. M ILLER, Bertoline, Dibujo en Ingeniería y Comunicación Grafica. 31.
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