Laboratorio 1_ Bombas centrífugas

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORUROFACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA

INGENIERÍA MECÁNICA – ELECTROMECÁNICALABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

MÁQUINAS HIDRÁULICAS LMH-2252/2253

LABORATORIO 1CURVAS

CARACTERÍSTICAS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS

Fecha de realización: 2015-03-13

Fecha de entrega: 2015-03-20

1. INTRODUCCIÓN

Para determinar el comportamiento de una bomba centrifuga se recurre al Ensayo Elemental en el que, manteniéndose constante el número de revoluciones n, se varia el caudal Q cerrando progresivamente la válvula de paso en el ramal de impulsión, estos datos tabulado y graficados forman las curvas experimentales: H=f1(Q), Na=f2(Q) y ηt=f 3(Q).

En las instalaciones más corrientes la bomba acoplada a un motor eléctrico está destinada a girar a velocidad constante. Sin embargo, es frecuente que, aunque la bomba gire a n constante, el proceso necesita más o menos caudal, lo puede conseguirse abriendo o cerrando la válvula de paso en el ramal de impulsión, pero implícitamente se han cambiado las condiciones de funcionamiento lo que lleva a un punto de desempeño distinto al supuesto durante la selección .

1.1. ANTECEDENTES

Estas bombas se aplican ampliamente en los edificios para llenar los tanques del almacenamiento de agua que se hallan en las azoteas donde se bombea agua desde estanque de agua en la parte inferior del edificio, por tanto es muy importante saber cómo se realizan los cálculos para determinar la potencia y el rendimiento de la bomba a utilizarse.

2. OBJETIVOS

2.1. Objetivo general

Determinar los parámetros teóricos y parámetros medibles de la bomba Centrifuga y estimar los rangos de funcionamiento para una operación óptima.

3. MARCO TEÓRICO

3.1. Descripción general de las bombas centrifugas (BC)

La bomba es una máquina que absorbe energía mecánica y restituye energía hidráulica al

fluido; la bomba centrifuga, lo mismo que cualquier otra bomba sirve para producir un

incremento en la presión estática en un fluido procedente de una energía mecánica disponible

en su eje por medio de un motor eléctrico.

La bomba centrifuga es una turbo máquina de tipo radial, con flujo de dentro hacia fuera

presentando por lo general un área de paso de agua relativamente reducido en relación con el

diámetro del rotor o impulsor, con objeto de obligar al fluido de hacer un recorrido radial largo

aumentado la acción centrifuga.

El flujo entra a la bomba a través del centro o ojo del rodete y el fluido gana energía a medida

que las paletas del rodete lo transportan hacia fuera en dirección radial. Esta aceleración

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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 rodete se convierte en cabeza de presión a la salida.

3.2. Partes de una Bomba centrífuga

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.

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Fig.1.3.1.1. Esquema de una bomba centrífuga.




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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.

3.3. Características principales de un rodete

Tipos básicos de rodetes:

a) Alabes curvados hacia adelanteb) Alabes rectosc) Alabes inclinados hacia atrás / curvados hacia atrás

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Fig.1.3.1.2. Esquema de una bomba centrífuga. En ella se indican las partes constitutivas de la bomba centrífuga.




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3.4. Carga de succión y elevación, y algunas condiciones de succión.

Elevación de succión. Es la suma de la elevación estática de succión, de la carga de fricción de succión total y de las pérdidas de admisión (la elevación de succión es una carga de succión negativa).

Carga de succión. Es la carga estática de succión menos la carga de fricción total y las pérdidas de admisión, más cualquier presión que se encuentre en la línea de succión. Es una presión negativa (hay vacío) y se suma algebraicamente a la carga estática de succión del sistema.

Condiciones de succión. Por lo que respecta al líquido, se tomará en cuenta la influencia de su presión sobre la succión.

Presión de vapor. Si un líquido se encuentra a una temperatura arriba de su punto de ebullición, sufre evaporación en su superficie libre. En el seno del líquido se origina una presión que se llama presión de vapor y que está en función directa con la temperatura del líquido.

Presión de bombeo. Destinemos una bomba cualquiera para bombear un líquido. Al funcionar la bomba, tiende a formar un vacío en el seno del líquido. Éste succionar se conoce como presión de bombeo.

Carga neta de succión positiva (NPSH). Es la presión disponible o requerida para forzar un gasto determinado, en litros por segundo, a través de la tubería de succión, al ojo del impulsor, cilindro o carcasa de una bomba. En el bombeo de líquidos la presión en cualquier punto en la línea de succión nunca deberá reducirse a la presión de vapor del líquido.

NPSH disponible. Esta depende de la carga de succión o elevación, la carga de fricción, y la

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Fig.1.3.2.1. Esquema de rodetes con álabes: a) curvados hacia delante; b) rectos; c) curvados hacia atrás.




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presión de vapor del líquido manejado a la temperatura de bombeo. Si se varía cualquiera de estos puntos, la NPSH puede alterarse.

NPSH requerida. Esta depende sólo del diseño de la bomba y se obtiene del fabricante para cada bomba en particular, según su tipo, modelo, capacidad y velocidad.

Cebado de las Bombas. Consiste en la extracción del aire de la tubería de succión de la bomba para permitir un correcto funcionamiento. Esta operación se realiza en todas las bombas centrífugas ya que no son auto-cebantes, generalmente cuando ésta se encuentra en una posición superior al tanque de aspiración.

Carga Hidráulica. Es la energía impartida al líquido por la bomba, es decir, la diferencia entre la carga de descarga y la succión.

Punto de Shut-off. Representa la carga hidráulica que produce la bomba cuando el caudal a través de ella es nulo. (La válvula a la salida de la bomba está cerrada, con el fluido en contacto con el rodete).

Potencia Absorbida (N). Representa la potencia requerida por la bomba para transferir líquidos de un punto a otro y la energía requerida para vencer sus pérdidas.

Potencia Hidráulica (Ph). Potencia cedida al líquido en el proceso de su transferencia de un punto a otro.

Rango de Operación. Es la zona en la cual la bomba opera en forma eficiente. Esta zona se determina como:

Q1=0,9∗Qmax

Q2=0,85∗Q0

3.5. Punto de funcionamiento de la bomba

El punto de operación de la bomba para un caudal de 1.535 m3/s el rendimiento de la bomba,

según el grafico de la curva característica del rendimiento total es:

ηT=97.16%

3.6. Curvas características de las bombas centrífugas

Las curvas características de una bomba son experimentales y se obtienen fácilmente en un

banco de pruebas, manteniendo constante el número de revoluciones, realizándose los datos

de ensayos a diferentes aperturas de la válvula del ramal de impulsión. En cada ensayo se mide 5




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la presión y el caudal y con ellos se determina Hu, Na y ηt . En el grafico se toma Q como

abscisa y como ordenadas: Hu (primea cura), Na (segunda) yηt(tercera).

Si la bomba está bien seleccionada para la red funcionara en el punto nominal (punto N, ηB−max).

4. MÉTODO DE EXPERIMENTACIÓN

El presente trabajo fue realizado por un grupo de 7 estudiantes en el Laboratorio de Hidráulicas de la carrera de Ingeniería Mecánica - Electromecánica el 13 de marzo de 2015, a horas 16:00.

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4.1. EQUIPO, MATERIAL E INSTRUMENTOS UTILIZADOS

FICHA TÉCNICA 1

Nombre: Contador volumétrico Tipo DigitalMarca: H2OleIndustria: USAColor: AzulUnidad de Medición: [m3] Alcance:Sensibilidad:Incertidumbre:

FICHA TÉCNICA 2

Nombre: Manómetro en UTipoMarca:Industria:Color:Unidad de Medición:Alcance:Sensibilidad:Incertidumbre:

FICHA TÉCNICA 3

Nombre: Manómetro de impulsiónTipo DigitalMarca: PCE GroupIndustria:Color: NegroUnidad de Medición:Alcance:Sensibilidad:Incertidumbre:

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FICHA TÉCNICA 4

Nombre: Motor EléctricoMarca: PedrolloIndustria: ItalianaColor: GrisNº de revoluciones: 2900 [rpm]Tensión: 220 VCorriente: 2,5 A

4.2. MONTAJE DEL EQUIPO

4.3. DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO

Se solicitó la instrumentación adecuada para la elaboración del experimento en el Laboratorio de Hidráulicas.

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El Jefe de Laboratorio, Ing. Carlos Antonio Flores Castillo dio una explicación concreta para el entendimiento del funcionamiento de una bomba centrifuga, aspectos relevantes, como ser el rodete, la disposición de los álabes en el rodete, la carcasa o voluta y finalmente las curvas características, objeto de estudio del presente laboratorio.

Luego se procedió a realizar grupos de trabajo para la elaboración de las fichas técnicas del material y equipo que se utilizó.

Se procede a encender el motor que acciona el rodete de la bomba.

Se realizaron las diferentes mediciones, bajo las siguientes consideraciones: primera medición con válvula de esfera abierta (0°), para las siguientes mediciones se cierra 10° por cada medición, hasta los 60°.

Una vez llegado a los 60° de cierre en la válvula, se procedió a realizar la apertura de la válvula, una vez más, por cada medición se abría la válvula 10°, hasta llegar a los 0° (válvula completamente abierta).

En cuanto a las mediciones, se puede indicar que las mismas se detallan en la tabla de REGISTRO DE DATOS.

Una vez finalizado el registro de datos, se procedió a corte del suministro eléctrico al motor que accionaba el rodete de la bomba

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4.4. REGISTRO DE DATOS

Fecha: 2015-03-13 Hora: 16:00 – 16:30

REGISTRO DE DATOSα P_succión P_impulsión P_entrada P_salida t V_i V_f n[deg] [cm H2O] [m H2O] [cm H2O] [cm H2O] [s] [L] [L] [rpm]

0 16,50 0,78 26,00 42,50 28,67 37130 37140 290010 7,00 0,80 26,00 42,50 29,22 37180 37190 290020 7,20 0,82 26,10 42,60 29,50 37210 37220 290030 7,50 0,88 26,20 42,50 29,66 37245 37255 290040 7,60 1,04 26,40 42,30 30,34 37280 37290 290050 7,90 1,42 26,70 41,90 31,92 37310 37320 290060 8,60 2,68 27,60 40,90 38,33 37335 37345 290050 7,80 1,52 26,80 41,90 31,56 37380 37390 290040 7,50 1,08 26,50 42,30 30,36 37400 37410 290030 7,30 0,94 26,20 42,40 29,78 37420 37430 290020 7,20 0,88 26,00 42,50 29,46 37440 37450 290010 7,00 0,86 25,90 42,60 29,45 37480 37490 2900

0 6,90 0,86 26,00 42,70 29,50 37500 37510 2900

DATOS EN EL SISTEMA INTERNACIONAL

α P_succión P_impulsiónP_entrada P_salida t V_i V_f n

[deg] [kPa] [kPa] [kPa] [kPa] [s] [m3] [m3]

[rad/s]

0 1,616 7,640 2,547 4,163 28,67 37,130 37,140 303,6910 0,686 7,836 2,547 4,163 29,22 37,180 37,190 303,6920 0,705 8,032 2,556 4,173 29,50 37,210 37,220 303,6930 0,735 8,620 2,566 4,163 29,66 37,245 37,255 303,6940 0,744 10,187 2,586 4,143 30,34 37,280 37,290 303,6950 0,774 13,909 2,615 4,104 31,92 37,310 37,320 303,6960 0,842 26,251 2,703 4,006 38,33 37,335 37,345 303,6950 0,764 14,888 2,625 4,104 31,56 37,380 37,390 303,6940 0,735 10,579 2,596 4,143 30,36 37,400 37,410 303,6930 0,715 9,207 2,566 4,153 29,78 37,420 37,430 303,6920 0,705 8,620 2,547 4,163 29,46 37,440 37,450 303,69

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10 0,686 8,424 2,537 4,173 29,45 37,480 37,490 303,690 0,676 8,424 2,547 4,182 29,50 37,500 37,510 303,69

4.5. CÁLCULOS

4.5.1. Cálculo del caudal

Q=V f−V 0t [m3s ]

Q=37,140−37,13028,67

=0,003488[m3s ]4.5.2. Cálculo de la altura útil de la bomba

H u=Pimp−Psucδ∗g¿

H u=7,640−1,6161000∗9,795

∗1000=0,6150 [m .c .a . ]

4.5.3. Cálculo de la potencia útil de la bomba

Nu=δ∗g¿∗Q∗H u

Nu=1000∗9,795∗0,003488∗0,6150=2,1011[W ]

4.5.4. Procesamiento de datos

α Q H_u N_u[deg

] [m3/s] [m.c.a.] [W]0 0,003488 0,6150 2,1011

10 0,003422 0,7300 2,447020 0,003390 0,7480 2,483630 0,003372 0,8050 2,658440 0,003296 0,9640 3,112150 0,003133 1,3410 4,115060 0,002609 2,5940 6,628850 0,003169 1,4420 4,4754

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40 0,003294 1,0050 3,242430 0,003358 0,8670 2,851620 0,003394 0,8080 2,686410 0,003396 0,7900 2,6275

0 0,003390 0,7910 26,26394.5.5. Gráfica altura útil vs. caudal

0.000250 0.000260 0.000270 0.000280 0.000290 0.000300 0.000310 0.000320 0.000330 0.000340 0.0003500.0000

0.5000

1.0000

1.5000

2.0000

2.5000

3.0000

f(x) = − 81601471.8120271 x² + 25845.3403841294 x + 1.40741365400095R² = 0.997435031189422

Series2Polynomial (Series2)

Caudal [m3/s]

Altu

ra ú

til

[m.c

.a.]

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0.000250 0.000270 0.000290 0.000310 0.000330 0.0003500.0000

1.0000

2.0000

3.0000

4.0000

5.0000

6.0000

7.0000

f(x) = − 477122420.27212 x² + 234937.113172719 x − 22.1827201716727R² = 0.994989917292175

Potencia útil en función del caudal

Series2Polynomial (Series2)

Caudal [m3/s]

Pote

ncia

útil

[W

]

5. CUESTIONARIO

5.1. ¿Cuáles son las características principales del rodete de una bomba centrifuga?

Una vez es estudiado el funcionamiento de una bomba centrífuga vamos a estudiar en detalle los elementos más importantes que la forman, como es el rodete y el difusor o voluta.

a) Rodete o impulsor.El rodete o impulsor es un elemento móvil , formado por unas paletas o álabes divergentes unidos a un eje que recibe energía del exterior como podemos observar en la figura 5.1.1 que nos muestra el despiece de una bomba centrífuga.

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Según que estos álabes vayan sueltos o unidos a uno o dos discos, los rodetes pueden ser (figura 5.1.2):

Abiertos: cuando van sueltos. Tienen la ventaja de que permite el paso de impurezas, pero tiene poca eficacia.

Cerrados: cuando van unidos lateralmente a dos discos (figura 7.6). Se obstruyen con más facilidad que los anteriores, pero tienen mayor rendimiento.

Semi abiertas: cuando van unidos a un disco. Tienen características intermedias entre los dos tipos anteriores.

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Fig.5.1.1. Despiece de una bomba centrífuga.

Fig.5.1.2. Tipos de rodetes o impulsores.




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b) DifusorEl difusor junto con el rodete, están encerrados en una cámara, llamada carcasa o cuerpo de bomba, según como se ve en la figura 5.1.1.El difusor está formado por unos álabes fijos divergentes, que al incrementarse la sección de la carcasa, la velocidad del agua irá disminuyendo lo que contribuye a transformar la energía cinética en energía de presión, mejorando el rendimiento de la bomba.Según la forma y disposición, las bombas centrífugas son de 2 tipos:

De voluta: la carcasa tiene forma de caracol, rodeando el rodete de tal forma que el área de flujo de agua aumenta progresivamente hacia la tubería de descarga (figura 5.1.4.a).

De turbina: la carcasa va provista de unos difusores fijos dispuestos de tal forma que el área de flujo se ensancha progresivamente hacia la salida, (figura 5.1.1 y figura 5.1.4.b).

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Fig.5.1.3. Detalle de un rodete cerrado; a) Desmontado; b) Apreturas por donde entra el agua.




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c) EjeEl eje de la bomba es una pieza en forma de barra de sección circular no uniforme que se fija rígidamente sobre el impulsor y le transmite la fuerza del elemento motor.

Las bombas centrífugas para agua se clasifican atendiendo a la posición del eje en bombas de eje horizontal y bombas de eje vertical.

1. La velocidad relativa del líquido en la parte posterior del impulsor es mayor que en la cara de enfrente, debido a la distribución de presiones dentro del impulsor. Esta velocidad relativa, menor en el frente, dará lugar a cargas menores; y la carga total será menor que aquella calculada para un promedio de velocidad del flujo.

2. Debido al efecto de la rotación del agua en las cercanías y dentro del impulsor. Entre ellas está la circulación relativa con respecto al impulsor, que se debe a la fuerza de inercia de partículas de líquido sin fricción. El resultado es una componente en la dirección tangencial, opuesta a Cu2, en la descarga y del mismo sentido que Cu1, a la entrada. Por otra parte, la circulación relativa disminuye el valor del ángulo de descarga e incrementa el de entrada.

Evidentemente la circulación relativa es menor con un gran número de alabes. También es razonable esperar que la circulación relativa sea más pequeña en un impulsor angosto que en uno ancho. Es por esto que con el mismo diámetro del impulsor, la carga total es mayor en un impulsor angosto.

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Fig.5.1.4. Tipos de difusores: a) de Voluta; b) de Turbina.




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Parte inactiva de una vena. En una bomba real y aun en la ideal, la diferencia de presiones entre las dos caras del aspa desaparece donde las dos corrientes de canales adyacentes se juntan. Esto significa que no toda el aspa es igualmente activa.Las presiones sobre las aspas fueron medidas, por Uchimaru y muestran que la diferencia de presiones sobre las dos caras tiene un máximo cerca de la succión, y es nula en la descarga.En la figura 5.1.5 se muestra la distribución de presiones para una bomba de 316 g.p.m.; 28.6 pies de carga y girando a 700 r.p.m.

5.2. Analice el modelo matemático de una bomba centrifuga y explique el significado físico de sus

coeficientes

5.3. Determine el punto de funcionamiento de la bomba de prueba a apertura total de la válvula

de paso tomando en cuenta el comportamiento hidráulico de la red de cañerías

5.4. Comparar el caudal medido con el contador y el calculado con el Venturi, explique las

diferencias

Q Q_vent[m3/s] [m3/s]0,00348797 0,00030050,00342231 0,00030050,00338983 0,00030050,00337154 0,0002993

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Fig.5.1.5. Distribución de presiones para una bomba particular.




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0,00329598 0,00029690,00313283 0,00029270,00260892 0,00028100,00316857 0,00029210,00329381 0,00029630,00335796 0,00029870,00339443 0,00030050,00339559 0,00030170,00338983 0,0003017

El contador nos da datos aproximados en el cual se comete un error de apreciación mientras en el Venturi los datos son más confiables al momento de determinar el caudal, aunque se debe considerar que el Venturi con el paso del tiempo pierde, llamémosle esa precisión que lo caracteriza, a esto se le ha de sumar el hecho de la posibilidad de cometer error humano, en la lectura de datos en un manómetro en U.

6. BIBLIOGRAFÍA

Flores Castillo, Carlos Antonio; Guía de Laboratorio MEC 2252/2253, 2015.

Mataix, Claudio; Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas; Ediciones del Castillo S.A.; Madrid;

España; 1993

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