Laboratorio de Bomba Centrifuga

LABORATORIO DE BOMBA CENTRIFUGA LABORATORIO DE BOMBA CENTRIFUGA

Juliana Torres Palomar Juliana Torres Palomar u1101525@unimilitar.edu.co u1101525@unimilitar.edu.co Resumen

Resumen La exp

La experiencia eriencia plasmada plasmada en este en este informe binforme buscaba uscaba interpretar interpretar e identifice identificar lasar las caracterís

características de ticas de una una bomba centrifuga con ayuda de bomba centrifuga con ayuda de esta se es esta se es posible determinar susposible determinar sus curvas características

curvas características y y utilizar utilizar las las leyes de leyes de similitsimilitud. ud. Para llegar a este Para llegar a este punto fuepunto fue necesaria la obtención de datos experimentales y una base teórica que ayudase a necesaria la obtención de datos experimentales y una base teórica que ayudase a comprender el sistema; en estos datos se pudo obtener lecturas de velocidad, intensidad, comprender el sistema; en estos datos se pudo obtener lecturas de velocidad, intensidad,  presión a la s

 presión a la succión y desucción y descarga de la bomba a distintos caudalecarga de la bomba a distintos caudales y por cada velocidad des y por cada velocidad de rotación fijada r.p.m. de este modo se es posible la obtención de las Curvas rotación fijada r.p.m. de este modo se es posible la obtención de las Curvas características de la bomba. Para finalizar se recolectaron por distintos tipos de abertura características de la bomba. Para finalizar se recolectaron por distintos tipos de abertura los datos experimentales por cada medida del variador; y así determinarse las Leyes de los datos experimentales por cada medida del variador; y así determinarse las Leyes de Similitud.

Similitud.

Palabras Clave Palabras Clave

Centrifuga, presión, descarga, sistema, velocidad. Centrifuga, presión, descarga, sistema, velocidad.

Introducción Introducción

Con el fin de determinar el comportamiento, características y las condiciones a las que Con el fin de determinar el comportamiento, características y las condiciones a las que trabaja una bomba centrifuga, se realizó una práctica de la cual se obtienen valores de trabaja una bomba centrifuga, se realizó una práctica de la cual se obtienen valores de Psucción, Pdescarga, caudales, eficiencia, potencia.

Psucción, Pdescarga, caudales, eficiencia, potencia.

Teniendo presente el campo de aplicación de las bombas centrifugas presentes en la Teniendo presente el campo de aplicación de las bombas centrifugas presentes en la práctica de laboratorio estas son definidas como maquinas hidráulicas que suministran práctica de laboratorio estas son definidas como maquinas hidráulicas que suministran energía a un fluido incompresible, para efectuar su transporte o para proporcionar energía a un fluido incompresible, para efectuar su transporte o para proporcionar potencia hidráulica.

potencia hidráulica.

Un equipo de bombeo es un transformador de energía; recibe energía mecánica, que Un equipo de bombeo es un transformador de energía; recibe energía mecánica, que puede proceder de un motor eléctrico, térmico, etc., y la convierte en energía que el fluido puede proceder de un motor eléctrico, térmico, etc., y la convierte en energía que el fluido adquiere en forma de presión, de posición o de velocidad.

adquiere en forma de presión, de posición o de velocidad.  Así tend

 Así tendremos bombremos bombas que sas que se utilizan e utilizan para cambipara cambiar la posicióar la posición de un n de un cierto fluidcierto fluido.o.

Figura 1. Bomba. Figura 1. Bomba.

Los tipos de bombas más usuales son las siguientes:

1. Bomba hidráulica:  Aquella cuyo funcionamiento se basa en el vacío más o menos completo que se produce en su interior por medios mecánicos.

2. Bomba aspirante: La hidráulica que consta de un tubo de aspiración y un embolo, provisto de uno o más orificios.

3. Bomba impelente: La hidráulica carente de un tubo de aspiración, que está sumergida, va provista de una válvula en la base interior del cilindro y posee un embolo macizo.

4. Bomba aspirante –  impelente: La hidráulica que combina las propiedades de la

aspirante y la impelente y produce doble efecto.

5. Bomba de vacío: Dispositivo destinado a la producción de bajas presiones por extracción de la masa gaseosa contenida en un recinto.

Elementos de trabajo y metodología.

Para el desarrollo de la práctica se debe tener en cuenta los equipos a utilizar y cómo será el procedimiento según su montaje.

Contando con un vertedero se toma la primera lectura (Ho), se abre totalmente la válvula de succión, manteniendo la válvula de descarga cerrada, enseguida se prende la bomba y se ajusta la velocidad en el tablero de control.

Se toman las lecturas de presión, teniendo en cuenta que el manómetro de succión marque 0 y el manómetro de descarga otro valor (10 lecturas), acto seguido abrimos la válvula reguladora del flujo, en la descarga se toma el primer valor menor al de referencia del manómetro, luego tomamos las medidas del caudal (lectura del piezómetro del vertedero, valor lámina de agua) (Hv).

Lo anterior se realiza de la misma forma para el segundo caudal operando la bomba a una velocidad diferente, ajustada en el tablero de control y se repiten los mismos pasos descritos.

Resultados

Como primer paso para desarrollar los cálculos, se debió convertir los datos de las presiones de succión (kgf/cm2), y presiones de descarga (psi) obtenidas en el laboratorio en columnas de agua, como se muestra en las siguientes tablas.

Tabla 1. Datos en Columna de agua para N = 40Hz.

Caudal Psuccion (kgf/cm2) Pdescarga(psi) Hv (cm)

1 0 20 44,4 2 0 18 45,5 3 0 17 46,0 4 0 15 46,7 5 0 12 47,3 6 0 10 47,8 7 0 9 48,0 8 0 8 48,2 9 0 6 48,4 10 0 5 48,5 Pmax (psi) 21 N=2300 rpm = 40 Hz

Caudal Psuccion (metro columna de agua) Pdescarga (metro columna de agua) 1 0 14.06 2 0 12.654 3 0 11.951 4 0 10.545 5 0 8.436 6 0 7.03 7 0 6.327 8 0 5.624 9 0 4.218 10 0 3.515

Tabla 2. Datos en Columna de agua para N = 60Hz.

 A continuación se fijaron valores iniciales; tales como: Ho: altura geométrica.

Ltsucción: altura de aspiración o succión Dtsucción: diámetro de la tubería de succión Hejetuberia: altura del eje de la tubería

Dichos datos están contemplados en la siguiente tabla:

Tabla 3. Datos iniciales Para N = 2300 rpm = 40 Hz.

Como primera instancia se hallo el Caudal (1), que no es mas que la relación de alturas Hv y Ho por una constante, dado por la siguiente ecuación:

 A partir de los datos de las presiones tanto de succión como de descarga se obtiene la perdida de la bomba Hb (2), donde las presiones se encuentran en metros columna de agua.

Caudal Psuccion (kgf/cm2) Pdescarga(psi) Hv (cm)

11 0 30 47,7

12 0 20 48,9

13 -2 10 49,8

Pmax (psi) 44

N = 3450 rpm = 60Hz

Caudal Psuccion (metro columna de agua) Pdescarga (metro columna de agua) 11 0 21.09 12 0 14.06 13 -196123.18 7.03 Ho (cm) 38.7 Ltsuccion (m) 0.64 Dtsuccion 0.42 Heje tuberia 0.83

De esta manera fue posible graficar Q Vs. Hb.

Tabla 4. Resultados Q Vs. Hb

Grafica 1. Q Vs. Hb

Siguiendo esto se obtuvo la Potencia (3) en cada caso; utilizando el caudal y la pérdida de la bomba previamente calculada; todo esto por una constante. (El caudal fue previamente convertido a m3/s, quedando así la potencia en Watts). Con los datos obtenidos se realizo la Grafica 2.

Psuccion (metro columna de agua)

Pdescarga (metro

columna de agua) Q(L/s) Qsucc(m3/s) Hb

0,0 14,060 1,0247 0,001025 14,0600 0,0 12,654 1,6212 0,001621 12,6540 0,0 11,951 1,9497 0,001950 11,9510 0,0 10,545 2,4738 0,002474 10,5450 0,0 8,436 2,9855 0,002986 8,4360 0,0 7,030 3,4580 0,003458 7,0300 0,0 6,327 3,6591 0,003659 6,3270 0,0 5,624 3,8673 0,003867 5,6240 0,0 4,218 4,0825 0,004083 4,2180 0,0 3,515 4,1929 0,004193 3,5150 y = -3292.4x + 18.088 R² = 0.9841 0.0000 2.0000 4.0000 6.0000 8.0000 10.0000 12.0000 14.0000 16.0000    H     b     (   m    c    a     ) Q(m3/s)

Q vs Hb

Tabla 5. Resultados Caudal Vs. Potencia.

Grafica 2. Caudal Vs. Potencia

Con ayuda de la potencia fue posible calcular la eficiencia de la bomba n (4) con la cual se realizo la Grafica 3.

Teniendo en cuenta que Pm = 1491.4 Watts.

Psuccion (metro columna de agua)

Pdescarga (metro

columna de agua) Qsucc(m3/s) Potencia

0,0 14,060 0,001025 141,2781 0,0 12,654 0,001621 201,1712 0,0 11,951 0,001950 228,4855 0,0 10,545 0,002474 255,7970 0,0 8,436 0,002986 246,9718 0,0 7,030 0,003458 238,3844 0,0 6,327 0,003659 227,0222 0,0 5,624 0,003867 213,2758 0,0 4,218 0,004083 168,8605 0,0 3,515 0,004193 144,5200 100.0000 120.0000 140.0000 160.0000 180.0000 200.0000 220.0000 240.0000 260.0000 280.0000    P    o    t    e    n    c    i    a     (   w     ) Q (m3/s)

Q vs P

Tabla 6. Resultados Caudal Vs. Eficiencia

Grafica 3. Caudal Vs. Eficiencia

Finalmente, se realizo el cálculo del coeficiente de fricción (hf) (5) y cabeza neta positiva de succión (NPSH) (6), con la cual se realizo la Grafica 4.

Teniendo en cuenta que para hallar la velocidad, requerimos hallar primero los siguientes datos:

Psuccion (metro columna de agua)

Pdescarga (metro

columna de agua) Qsucc(m3/s) Eficiencia N (%)

0,0 14,060 0,001025 9,4729 0,0 12,654 0,001621 13,4888 0,0 11,951 0,001950 15,3202 0,0 10,545 0,002474 17,1515 0,0 8,436 0,002986 16,5597 0,0 7,030 0,003458 15,9839 0,0 6,327 0,003659 15,2221 0,0 5,624 0,003867 14,3004 0,0 4,218 0,004083 11,3223 0,0 3,515 0,004193 9,6902 0.0000 2.0000 4.0000 6.0000 8.0000 10.0000 12.0000 14.0000 16.0000 18.0000 20.0000    E     f   i   c   i    e    n    c    i    a     (   n     ) Q (m3/s)

Q vs n

Tabla 7. Datos de Atsucción. Tabla 8. Resultados Q Vs. NPSH Grafica 4. Q Vs. NPSH Atsuccion (m2) 0,138544236 z -37,87 Patm(mmHg) 56 Pvapor(mmHg) 1,7564 Patm(mca) 7,616 Pvapor( mca) 0,2388704 w1 240,8554368 w2 21676,98931 0,260969108 Psuccion (metro columna de agua) Pdescarga (metro

columna de agua) Qsucc(m3/s) Velocidad hf NPSH

0,0 14,060 0,001025 0,0074 6,798E-08 37,8708 0,0 12,654 0,001621 0,0117 1,702E-07 37,8708 0,0 11,951 0,001950 0,0141 2,461E-07 37,8708 0,0 10,545 0,002474 0,0179 3,962E-07 37,8708 0,0 8,436 0,002986 0,0215 5,770E-07 37,8708 0,0 7,030 0,003458 0,0250 7,742E-07 37,8708 0,0 6,327 0,003659 0,0264 8,668E-07 37,8708 0,0 5,624 0,003867 0,0279 9,682E-07 37,8708 0,0 4,218 0,004083 0,0295 1,079E-06 37,8708 0,0 3,515 0,004193 0,0303 1,138E-06 37,8708 37.8708 37.8708 37.8708 37.8708 37.8708 37.8708 37.8708 37.8708    N    P    S    H Q (m3/s)

Q vs NPSH

Para N = 3450 rpm = 60Hz

Se resuelve mediante las mismas formulas utilizadas para N = 2300 rpm = 40 Hz. Obteniendo los siguientes resultados.

Tabla 9. Resultados Q Vs. Hb

Grafica 5. Q Vs. Hb

Tabla 10. Resultados Caudal Vs. Potencia.

Psuccion (metro columna de agua)

Pdescarga (metro

columna de agua) QSuc(L/s) Q (m3/s) Hb

0 21,09 3,3601 0,003360 21,0900 0 14,06 4,6525 0,004652 14,0600 -196123,18 7,03 5,7965 0,005796 196130,2100 y = 8E+07x - 297152 R² = 0.7189 -50000.0000 0.0000 50000.0000 100000.0000 150000.0000 200000.0000 250000.0000    H     b     (   m    c    a     ) Q (m3/s)

Q vs Hb

columna de agua) Q (m3/s) Potencia

0 21,09 0,003360 694,899

0 14,06 0,004652 641,447

Grafica 6. Caudal Vs. Potencia.

Tabla 11. Resultados Caudal Vs. Eficiencia.

Grafica 7. Caudal Vs. Eficiencia

250.000 2000250.000 4000250.000 6000250.000 8000250.000 10000250.000 12000250.000 0.001500 0.002500 0.003500 0.004500 0.005500 0.006500    P    o    t    e    n    c    i    a     (   w     ) Q (m3/s)

Q vs P

columna de agua) Q (m3/s) Eficiencia N (%)

0 21,09 0,003360 46,594 0 14,06 0,004652 43,010 -196123,18 7,03 0,005796 747489,277 20.000 100020.000 200020.000 300020.000 400020.000 500020.000 600020.000 700020.000 800020.000 0.001500 0.002500 0.003500 0.004500 0.005500 0.006500    E     f   i   c   i    e    n    c    i    a     (   n     ) Q (m3/s)

Q vs N

Tabla 12. Resultados Q Vs. NPSH.

Grafica 8. Q Vs. NPSH

Análisis de Resultados

Para los datos obtenidos en la práctica se relacionan los valores correspondientes a cada una de las potencias a las cuales la bomba fue dispuesta en la práctica de laboratorio, en ellas se observa que para los diez (10) primeros caudales de carga y los últimos tres de descarga la potencia tiene un aumento y disminución respectivamente.

 A partir de esto fue posible determinar que el Caudal, es directamente proporcional a la perdida de la bomba Hb (tanto en la carga como en la descarga); lo cual se evidencia en la Grafica 1 y Grafica 5.

Para N = 40 Hz, tenemos que la Psucción da cero (0) en todos los diez (10) primeros datos, debido al caudal que maneja y a la presión que ejerce la misma. Tambien observamos que a medida que Pdescarga se va acercando a cero (0), el cambio en la succión es muy pequeño, debido a la presión que ejerce la misma.

Finalmente, a partir de los cálculos y las graficas obtenidas se evidencia que, a pesar de que los datos tomados cuando la potencia de la bomba fue de N = 60 Hz fueron menores ya que la presión de succión es igual; los resultados obtenidos se asemejan a los de N = 40 Hz, dicho esto podemos decir que los datos obtenidos son viables.

Psuccion (metro columna de agua)

Pdescarga (metro

columna de agua) Q (m3/s) Velocidad hf NPSH

0 21,09 0,003360 0,02425 7,309E-07 37,8708 0 14,06 0,004652 0,03358 1,401E-06 37,8708 -196123,18 7,03 0,005796 0,04184 2,175E-06 37,8708 37.8708 37.8708 37.8708 37.8708 37.8708 37.8708 37.8708 37.8708 37.8708 37.8708 0.001500 0.002500 0.003500 0.004500 0.005500 0.006500    N    P    S    H Q (m3/s)

Q vs NPSH

Conclusiones

Conocer la potencia de una bomba es de gran importancia; ya que con esta se puede modelar un sistema que sea eficiente en función del caudal para así evitar grandes pérdidas de energía.

Para el diseño de sistemas de flujo a presión, es importante conocer el punto de eficiencia máximo de la bomba, ya que con este se podrá diseñar un sistema de acuerdo al caudal que genere dicha eficiencia y así minimizar las perdidas.

La NPSH no varía considerablemente en cada caso; ya que al ser la cabeza que hace que el liquido fluya por la tubería de succión para entra al ojo del impulsor se necesitara a lo largo del caudal de estudio una NPSH.

Referencias

(1). Acedo Sánchez, José. 2006. Instrumentación y control avanzado de procesos. 2006. (2). Ávila, Gilberto Sotelo. 1980. Hidráulica general . México: limusa, 1980.

(3). 1977. Manual de bombas. Barcelona: Blume, 1977.

(4).  Saldarriaga V, Juan G. 2007. Hidráulica de Tuberías: Abastecimiento de Agua, Redes, Riego. Bogotá: UNIANDES. 2007.