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Published on March 4, 2014

Author: millos1791

Source: slideshare.net

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Laboratorio Hidraulica I Bomba

Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de Hidráulica I BOMBA PUMP Gómez, Gonzalo; Galarza, Rodrigo; Rodríguez, Oscar u1101344@unimilitar.edu.co; u1101342@unimilitar.edu.co; u1101163@unimilitar.edu.co; Universidad Militar Nueva Granda Estudiantes Ing. civil Bogotá D.C. RESUMEN El objetivo de esta práctica es estudiar el comportamiento de una bomba y las características de ella en relación al transporte de un fluido a través de esta, determinando las relaciones que permiten cuantificar parámetros propios de la bomba como la eficiencia, la potencia, la cabeza total de la bomba, la velocidad específica y la cabeza neta de succión, con el fin de dibujar e interpretar las curvas representativas de la bomba. El sistema para efectuar la práctica consiste en una bomba centrifuga de flujo radial que transportaba agua dese un tanque hasta el vertedero, se tomaron las presiones a la succión y descarga de la bomba con ayuda de manómetros ubicados a la entrada y salida de esta, este procedimiento se realizó para dos frecuencias distintas de la bomba como también se midió su geometría, todo esto con el fin determinar los caudales de entrada y salida, y a partir de estos establecer los parámetros mencionados anteriormente que son función del caudal en circulación. Las curvas calculadas nos permiten predecir el comportamiento de la bomba en la instalación e incluso establecer el tipo de flujo que maneja la bomba, que en este caso confirma que es radial. Lo primero que se comprobó al calcular y analizar la carga total en el sistema de bombeo fue que el caudal a la salida es menor que el de la entrada de bombeo, esto afectado en función de la altura. Respecto a la eficiencia se estableció que este parámetro es más alto para valores pequeños de caudal y descargas altas, al igual que se pierde eficiencia por las pérdidas que ocurren por la conversión de energía cinética en energía de presión, por ultimo respecto a la frecuencia se identificó que el caudal disminuye a medida que se disminuyen las rpm, esto por la relación de continuidad. PALABRAS CLAVE Bomba, caudal, eficiencia, potencia, fuerza centrífuga. ABSTRACT The purpose of this lab is to study the behavior of a pump and the characteristics of it in relation to the transport of fluid through this, determining relationships to quantify specific parameters such as pump efficiency, power, total head the pump specific speed and net suction head in order to draw and interpret pump representative curves. The system for making practically consists of a radial flow centrifugal pump carrying water tank to give yourself a landfill, were taken to the suction and pressure pump discharge using gauges located at the entrance and exit of this, this procedure was performed for two different pump frequencies are also measured as its geometry, all this in order to determine the input and output flows, and from these setting the aforementioned parameters which are a function of

Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de Hidráulica I flow rate in circulation. The calculated curves allow us to predict the behavior of the pump installation and even set the flow type pump handles, which in this case confirms that it is radial. The first thing was checked to calculate and analyze the total load on the pumping system was that the flow at the outlet is less than the pump inlet, this affected depending on the height. Regarding efficiency was established that this parameter is higher for small values of flow and high discharges , as efficiency is lost for the losses that occur in the conversion of kinetic energy into pressure energy , finally regarding the frequency identified that the flow decreases as the rpm is reduced , this continuity relationship . KEYWORDS Pump, flow, efficiency, power, centrifugal force. INTRODUCCIÓN El presente informe pretende dar a conocer las características de un bomba centrifuga y cómo actúa suministrando energía a un fluido incompresible, esto mediante un ensayo de laboratorio. El ensayo consiste en suministrar energía a través de la bomba en una red de tubería y tomar lecturas de carga y descarga para cinco caudales tomados. Adicional a esto se toman los datos para dos diferentes potencias de la bomba: 2300 rpm y 3450 rpm. Una bomba es una máquina hidráulica generadora que transforma la energía con la que es accionada en energía hidráulica del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos. El propósito de este ensayo es conocer las características de una bomba centrifuga utilizada para efectuar el transporte o proporcionar potencia hidráulica, a través de todo el sistema de tuberías hasta la llegada del flujo al vertedero. A medida que se aumenta la energía de la bomba hacia el fluido, aumenta su presión, su velocidad o su altura. La bomba principalmente se requiere para aumentar la presión del fluido de una menor hasta una altitud o mayor presión. Cabe resaltar que al implementar una bomba en una red de tuberías no se alteran las características del fluido. El uso de sistemas de bombeo es especialmente importante en el transporte de fluidos, por lo que es necesario establecer los parámetros que nos permiten identificar las características apropiadas de las bombas para que se adapten a una instalación generando la mayor productividad posible en el sistema. 1. BOMBAS Una bomba hidráulica es una máquina generadora que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud.(1)

Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de Hidráulica I 1.1.BOMBAS ROTODINAMICAS Las bombas rotodinámicas se clasifican de acuerdo a la forma de sus rotores (impulsores) en: Bombas centrífugas (flujo radial) Presenta una presión relativamente alta con un caudal bajo Bombas de flujo axial: generan un caudal alto con una baja presión Bombas de flujo mixto: tienen características que semejan algo intermedio a los dos casos Los tipos de bombas pueden ser definidos en forma más explícita utilizando un parámetro dimensional llamado "Velocidad Específica" (Ns): Ecuación 1 Dónde: Q = Caudal en galones americanos por minuto (gpm). H = Altura total de la bomba en pies. N = Velocidad rotacional en revoluciones por minuto (rpm) La expresión para velocidad específica se encuentra teniendo en cuenta consideraciones de similaridad dinámica, en conjunto con técnicas de análisis dimensional. En la siguiente tabla ( Tabla 1) se muestra una clasificación general de las bombas rotodinámicas, tomando como criterio la velocidad específica. TIPO DE BOMBA CENTRIFUGA FLUJO MIXTO FLUJO AXIAL RANGO DE Ns 500 a 2000 2000 a 7000 7000 a 15000 Tabla 1 Los rangos anteriores se deben interpretar como una guía rápida para establecer qué tipo de flujo es el más probable en una determinada bomba. Para un diseño de bomba dado, la velocidad específica puede cambiarse si se aumenta o disminuye la velocidad de rotación de la bomba. Los valores típicos de ésta están dados por las velocidades de los motores, las cuales son: 450, 900, 1800 y 3600 rpm. Para seleccionar la velocidad del motor que mejor se adapte a una bomba dada, se deben balancear dos factores opuestos: Una alta velocidad de rotación implica problemas de desgaste en los cojinetes de ejes y problemas de cavitación y transientes hidráulicos. Una velocidad alta produce una velocidad específica alta (ver ecuación 4.1) y para valores de Ns menores a 2000 (Bombas rotodinámicas centrífugas rápidas) se logra un aumento en la eficiencia.(2)

Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de Hidráulica I 2. LÍNEA DE GRADIENTE HIDRÁULICO EN SISTEMAS BOMBA-TUBERÍA La presencia de bombas en sistemas de tuberías afectan las líneas de energía total y de gradiente hidráulico del flujo. Las bombas son máquinas hidráulicas cuyo objetivo es convertir energía mecánica de rotación en energía cinética o potencial del fluido dentro del sistema. El efecto es añadir energía por unidad de peso (altura de velocidad o altura de presión) al flujo. El aumento se refleja en la altura manométrica en cada punto, con lo cual se afecta la forma y pendiente de las líneas de energía total y de gradiente hidráulico. Ilustración 1 Una bomba colocada en un sistema de tubería simple. La bomba añade energía al flujo y por consiguiente eleva las líneas de energía total y de gradiente hidráulico como lo muestra la Ilustración 1. 3. CURVAS DE UN SISTEMA BOMBA-TUBERÍA Usualmente estas curvas se obtienen en laboratorio. Las curvas de altura total contra caudal y contra eficiencia son suministradas por los fabricantes de las bombas. La primera de éstas (Q vs. Hm) se conoce como la curva de la bomba.

Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de Hidráulica I Ilustración 2: Esquema de las curvas de la bomba y de eficiencia de la bomba. 4. LIMITACIONES EN LA ALTURA DE SUCCIÓN En el caso de bombas el fenómeno de cavitación puede ocurrir tanto en la tubería de succión como en los alabes del impulsor. Esto es particularmente grave en el caso de bombas localizadas por encima del nivel de succión. La cavitación, en el caso de bombas, además de producir daños físicos y ruidos molestos puede llegar a reducir notablemente el caudal descargado. Con el fin evitar todos estos efectos es necesario "impedir" que la presión a la entrada de la bomba sea menor que un cierto límite el cual a su vez es influido por una posterior reducción adicional de presión en el impulsor.(3) Si Ps es la presión a la entrada de la bomba, entonces Pabs : Ecuación 2 Representa la altura absoluta a la entrada "por encima de la presión de vapor pv". Este término se conoce como altura Neta Positiva de Succión o NPSH (del inglés Net Positive Suction Head): Ecuación 3

Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de Hidráulica I Dónde: pa = presión atmosférica pv = presión de vapor Hs = altura " manométrica " de succión Esta última altura está definida de acuerdo con la siguiente ecuación: Ecuación 4 La NPSH que requiere una bomba específica es un dato usualmente suministrado por el fabricante. En caso de que este no exista tiene que ser encontrado en condiciones de laboratorio. En los últimos años las bombas sumergibles se han vuelto muy populares especialmente en los rangos de caudales bajos y medios. Esta solución elimina el cálculo de la NPSH ya que los problemas de cavitación se eliminan o reducen notablemente. Similarmente se eliminan problemas de enfriamiento de los cojinetes, rodamientos y motor de la bomba.(4) Ilustración 3: Esquema de la tubería de succión en un sistema bomba-tubería con el fin de ilustrar la NPSH MATERIALES Y METODOLOGÍA La instalación para el ensayo consta de un tanque que provee el agua a través de la tubería, la tubería de succión del agua de 2” con reducción a 1 ½”, un manómetro con su escala en Kgf/cm^2, para las lecturas de la salida y otras para la entrada, la válvula de succión y por supuesto la bomba centrifuga de un impulsor cerrado con un motor eléctrico de 2.4 H.P de potencia, voltaje de 220 V, frecuencia máxima de 60 ciclos, velocidad de 3450 R.P.M., la tubería de descargue es de 1 ½” y expansión al vertedero de 2”, el caudal es controlado por una válvula, adicional a esto la bomba requiere de un cheque de 2” con el fin de que el agua

Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de Hidráulica I no se regrese a la bomba, la descarga del agua es en un vertedero triangular con ángulo de escotadura de 90° y la ecuación del caudal para este es Q = 0,0111 H ^ 268 (lps), la bomba tiene un tablero digital de control para encenderlo y graduar su velocidad entre otras funciones. Los datos tomados en la práctica fueron las presiones a la entrada y a la salida de la bomba, la altura del tanque y del vertedero, para dos velocidades distintas para hallar el caudal como primera medida. ANALISIS DE RESULTADOS Los datos tomados en la práctica fueron las presiones a la entrada y a la salida de la bomba, la altura del tanque y del vertedero, para dos velocidades distintas para hallar el caudal como primera medida con la Ecuación 5: Ecuación 5 Caudal 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Caudal (m^3/s) 0,285138 0,299180 0,304555 0,308172 0,317332 0,324781 0,332339 0,340007 0,345829 0,347784 0,345829 0,351714 0,355672 Caudal (m^3/s) 0,295630 0,315487 0,326661 0,336159 0,308172 0,351714 0,357661 0,361661 0,363671 0,367712 0,338080 0,373827 0,392552 Caudal (m^3/s) 0,371782 0,369744 0,363671 0,355672 0,351714 0,345829 0,336159 0,326661 0,306360 0,293865 0,388342 0,382079 0,351714 Caudal (m^3/s) 0,313648 0,328547 0,336159 0,349746 0,357661 0,359657 0,361661 0,365688 0,367712 0,369744 0,347784 0,361661 0,390443 Caudal (m^3/s) 0,215283 0,240820 0,271516 0,304555 0,321043 0,351714 0,353689 0,359657 0,365688 0,371782 0,293865 0,304555 0,322909 Caudal (m^3/s) 0,306360 0,311816 0,315487 0,319184 0,324781 0,330440 0,336159 0,341941 0,347784 0,353689 0,313648 0,317332 0,373827 Tabla 2 Se calculó la cabeza total de la bomba a partir de la Ecuación 6. Ecuación 6 Donde Luegose calculó para cada caudal y a partir de la Ecuación 7. Ecuación 7 Caudal (m^3/s) 0,288609 0,309991 0,321043 0,322909 0,324781 0,332339 0,338080 0,341941 0,349746 0,353689 0,285138 0,311816 0,332339 Caudal (m^3/s) 0,297402 0,304555 0,317332 0,322909 0,328547 0,332339 0,336159 0,340007 0,345829 0,349746 0,269843 0,300965 0,315487

Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de Hidráulica I Dónde: Para la cabeza neta positiva de succión (NPSHD) se calculó para cada caudal y a partir de la Ecuación 8 Ecuación 9 A partir de los datos obtenidos y los cálculos se logró corroborar como primera instancia que la bomba que se utilizo era de flujo radia, esto a partir del cálculo de la velocidad especifica. Respecto a las curvas se identificó que el caudal de salida es menor que el de la entrada (curva de carga total), y q este parámetro varía con la altura entre la succión y la descarga; en lo que se deduce respecto a la eficiencia es que este valor es más alto para valores pequeños de caudal y descargas altas, al igual que se pierde eficiencia por las pérdidas que ocurren por la conversión de energía cinética en energía de presión. 5 4.5 4 n2 vs Q2 3.5 n2 (W) 3 Series1 2.5 Series2 2 Poly. (Series1) y = -488.7x2 + 300.0x - 40.94 1.5 1 Poly. (Series2) y = -322.6x2 + 197.3x - 28.10 0.5 0 0.000000 0.100000 0.200000 0.300000 Q (m3/s) Grafica 1 0.400000 0.500000

Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de Hidráulica I 7 6 Ht1 vs Q1 y = 57.12x2 - 54.15x + 17.07 Ht (m) 5 4 2300 rpm 3450 rpm 3 Poly. (2300 rpm) 2 Poly. (3450 rpm) 1 0 0.000000 0.100000 0.200000 0.300000 0.400000 Q (m3/s) Grafica 2 0.7 0.6 y = 7.448x2 + 0.142x - 0.338 P1 vs Q2 P1 (W) 0.5 0.4 Series1 Series2 0.3 Poly. (Series1) 0.2 Poly. (Series2) 0.1 0 0.000000.050000.100000.150000.200000.250000.300000.350000.400000 0 0 0 0 0 0 0 0 Q (m3/s) Grafica 3 También se identificó que por la relación de continuidad el caudal disminuye a medida que se disminuyen las r.p.m.

Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de Hidráulica I Del valor de NPSHD se observa que es menor al de la cabeza de velocidad, lo que es ideal para evitar fenómenos de cavitación en la Bomba. NPSH 1 NPSH 2 NPSH 3 NPSH 4 NPSH 5 NPSH 6 NPSH 7 NPSH 8 1 2,19883243 2,67825242 4,04253455 3,48844215 1,31021214 3,16239182 2,35819934 2,75857773 2 2,83904051 3,57042278 4,13273356 4,1502135 3 3,08131647 4,06670883 4,40115722 4,48671126 1,56455448 3,57042278 3,81758597 3,65260289 4 3,24363588 4,48671126 4,75420297 5,01555345 3,08131647 3,7349886 5 3,65260289 3,24363588 4,92875188 4,66644384 3,81758597 3,98344004 3,98344004 4,1502135 6 3,98344004 4,92875188 4,9133597 7 4,31795458 4,66644384 4,48671126 4,48992684 4,84163702 4,48671126 4,57148541 4,48671126 8 4,65653138 4,48992684 4,06670883 4,31203904 4,57835375 4,74185513 4,74185513 4,65653138 9 4,9133597 0,0619276 3,40665488 3,32505484 3,08131647 3,9004011 3,9004011 4,57835375 4,92875188 4,23396009 4,31795458 4,31795458 4,40115722 3,16239182 4,22256644 4,31203904 4,99955238 5,01555345 4,9133597 10 4,99955238 4,22256644 2,59805828 4,13273356 4,04253455 4,84163702 4,84163702 5,01555345 11 4,9133597 4,57148541 3,30706074 4,99955238 2,59805828 3,48844215 2,19883243 1,48552008 12 4,92875188 3,95196356 3,58584302 4,48992684 3,08131647 3,65260289 3,40665488 2,91964705 13 4,75420297 3,11912227 4,92875188 3,21330376 3,9004011 3,95196356 4,31795458 3,57042278 Tabla 3 ANALISIS ESTADISTICO Podemos darnos cuenta que los datos tienen una gran varianza en los últimos caudales tomados a 2300 rpm. Suponemos que es debido a que se presenta mayor cavitación en esos piezómetros lo que causa que los valores sean muy variados. PROMEDIO 30,81875 30,64375 30,3875 30,025 29,5625 29,40625 29,0875 28,725 28,275 27,825 MEDIANA 29,9 29,75 30,2 30,65 30,25 30,2 29,9 30,75 31,2 32,85 DESVIACION ESTANDAR 15,012449 15,79582091 16,48748515 17,20319738 17,73425593 18,51505581 19,0117113 19,59573083 20,2321691 20,99461836 VARIANZA 211,2877734 233,9137109 254,8473438 277,453125 294,8473438 321,3818359 338,8548438 359,993125 383,756875 413,225625 Q MAX 48,8 48,7 48,4 48 48,1 48,2 48,3 48,5 48,6 48,8 Q MIN 3 4 5 7 8 7 6 5 3,2 1,6

Universidad Militar Nueva Granada 39,8625 37,4 35,7625 43,15 42,55 41,95 10,07484491 95,15859375 11,7014529 128,36625 14,26561717 190,7885938 Laboratorio de Hidráulica I 49,6 49,3 49,8 10 15 10 Tabla 4 RECOMENDACIONES Recomendamos que en la teoría se explicara más el tema y se vieran los temas al mismo tiempo para ir par a par laboratorio con clase teórica. En tanto las guías de laboratorio, se recomienda que sean más explicitas en tanto a la teoría ya que exponen variables que no explican previamente como sacaron. Por último se recomienda que el esquema del laboratorio en AutoCAD contenga la localización de los piezómetros para un análisis oportuno en las casas. CONCLUSIONES La energía específica (es decir, la energía por unidad de volumen, masa o peso de fluido) que una bomba dada es capaz de transmitir al fluido depende del caudal circulante, el cual puede variar entre 0 y un cierto caudal máximo. También la energía consumida por la bomba (la que absorbe del motor de accionamiento) y el rendimiento (relación entre la energía entregada al fluido y la energía consumida) son función del caudal en circulación. Se concluye que las pérdidas que genera el sistema son tan pequeñas en comparación con el comportamiento del fluido en el sistema, que se consideran nulas o cero, es decir, no se cuentan puesto que no afectan significativamente el resultado esperado por el sistema. Pudimos darnos cuenta que el NPSH requerido es un parámetro de la bomba y lo debe dar el fabricante. Pero es deber del ingeniero calcular cual valor necesita para esa variable y escoger una bomba que no rinda al límite, sino por el contrario tenga una altura neta de succión más alta de lo que necesitamos para asi prevenir cualquier imprevisto. Bibliografía 1. wikipedia.org. http://es.wikipedia.org/. http://es.wikipedia.org/. [En línea] [Citado el: 02 de Noviembre de 2013.] http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_hidr%C3%A1ulica. 2. Mott, Robert L. Mecanica de Fluidos aplicada. Mecanica de Fluidos aplicada. 1985. 3. GruposBombeo. uclm. Mexico : s.n., 2002, Vol. 3. 4. Cimbala, Cengel y. Mecánica de Fluidos Fundamentos y Aplicaciones. Mecánica de Fluidos Fundamentos y Aplicaciones. s.l. : Capitulo 14. . 5. Azevedo N., J. M. y Acosta.Ingeniería hidráulica en México. Mexico D.F. : s.n., 1976. Volumen 13.

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