bomba centrifuga

1. Tabla de Contenido Pág. I.

RESUMEN…………………………………………………………………..………….………2

II.

INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………….……3

III.

HISTORIA………………………………………………………………………………………4

IV.

PRINCIPIOS TEÓRICOS……………………………...……………………………………5

V.

DETALLES EXPERIMENTALES…………………………………….………………….17

VI.

DATOS EXPERIMENTALES…………………………………………………..…………19

VII.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS ……………………….………………………………..20

VIII.

CONCLUSIONES…………………………………………………………….………………..21

IX.

RECOMENDACIONES…………………………………………………….………………..22

X.

REFERENCIAS BIBIOGRAFICAS………………………………………………………23

XI.

APÉNDICE………………………………………………….…………………………………..24

2. Resumen El objetivo del presente informe es de conocer los principios de las bombas centrifugas, además el de elaborar sus curvas características. El experimento se realizó a condiciones ambientales de 17ºC y 756 mmHg. Se utilizó una bomba centrífuga marca Hidrostal de 0.5 HP, la cual estaba instalada a un sistema de tuberías de 2 pulg. De diámetro en la zona de succión y 1.5 pulg. De diámetro en la zona de descarga. Se obtuvieron caudales variando la presión de descarga en la primera serie de (5 a 15 psi) con abertura de la válvula de compuerta en 3/4 y en la segunda serie manteniendo la presión de salida en el manómetro a 7psi cambiando la presión de succion entre 2 a 14 inHg , también se tomaron lecturas del tablero (potencia, voltaje e intensidad. Con ellos se logró calcular las curvas características de la bomba, potencia util, potencia real, eficiencia de la bomba, NPSH (Net Positive Succión Head) disponible y requerido, carga del sistema. Los resultados en la determinación del caudal varían entre 0.003564m3/s a 0.001584m3/s con abertura de válvula de compuerta 3/4 (primera serie) y 0.003564m3/s a 0.001371m3/s a presión de descarga constante de 7psi (segunda serie), tabulamos y graficamos estos valores con los de sus respectivos Hbomba, BHP, HPH, η, NPSH disponible y requerido y Hsistema.

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3. Introducción Actualmente la tecnología y diseño de bombas es muy importante ya que se encuentra diversas aplicaciones industriales como en: Química y Petroquímica, Farmacéutica, Azucareras, Papeles y Pulpas, Minas. Metalurgia, Textiles. Las bombas son el dispositivo mecanico que se usan para impulsar masas de fluidos desde un punto a otro. En el mercado existe una gran variedad de bombas distintas en diseño y uso para una determinada aplicación, pero sin duda las bombas centrifugas son usadas en la mayoría de los procesos de producción. Por ello, en el presente informe nos centramos en el estudio de las bombas centrifugas para ello usamos un sistema de bombeo compuesto por una bomba centrifuga Hidrostal, un sistema de tuberías de succión y descarga y tanques de succión y de descarga del fluido que este caso trabajamos con agua liquida, este sistema de bombeo o banco de prueba nos permite determinar experimentalmente aquellos parámetros de operación de la bombas como el rendimiento de la bomba, su potencia, eficiencia, todos estos constituyen lo que se conoce

como „‟curva

característica de la bomba‟‟.

3

4. Historia La mayoría de los procesos en las industrias de procesos químicos incluyen la conducción de líquidos o transferencia de un valor de presión o de energía estática a otro. La bomba es el medio mecánico para obtener esta conducción o transferencia y por ello es parte esencial de todos los procesos. Se utiliza el término general de bomba para las máquinas que añaden energía al fluido; las máquinas que extraen energía del fluido se denominan turbinas o motores. El crecimiento y perfeccionamiento de los procesos están ligados con las mejoras en el equipo de bombeo y con un mejor conocimiento de cómo funcionan las bombas y cómo se deben aplicar. Las bombas centrífugas constituyen no menos del 80% de la producción mundial de bombas, porque es la más adecuada para manejar más cantidad de líquido que la bomba de desplazamiento positivo. El desarrollo de las bombas permitió al hombre civilizado vivir lejos de los ríos y manantiales y cultivar grandes extensiones de tierras que anteriormente habían permanecido inhabitables. Una vez que el hombre aprendió a mover grandes volúmenes de agua pudo regar tierras áridas y desarrollar productos agrícolas nuevos, mejores y más sanos.

Hace más de 5000 años los egipcios construyeron lo que probablemente fue la primera “bomba para pozos profundos”. El pozo que hoy día se conoce como el “Pozo de José” aun existe en la ciudad de Cairo, y consiste en la que el agua era elevada por una serie de vasijas de barro sujetas a una cuerda sinfín, formando un sistema semejante a los elevadores de cangilones modernos, y los cuales subían al agua desde el fondo del pozo hasta el primer nivel, en donde la descargaban en una especie de pileta. De esta pileta se alimentaba otra cadena sin fin de vasijas de barro para elevar el agua hasta la superficie. El primer intento en la construcción de lo que se conoce hoy como bomba centrifuga fue en 1680, pero su verdadero desarrollo se debe a la labor de los últimos 100años.

4

5. Principios teóricos 5.1. BOMBAS Una bomba es una máquina hidráulica generadora que transforma la energía mecánica proveniente de un motor eléctrico con la que es accionada en energía hidráulica el cual se lo transfiere al fluido. El fluido puede ser un

líquido

incomprensible como agua líquida, etc. 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 (nivel), 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, nivel o velocidad a otra de mayor presión, mayor nivel o mayor velocidad. También las bombas son equipos mecánicos que comunican al fluido suficiente cantidad de energía que les permite vencer la resistencia de las tuberías y accesorios a la circulación.

5.2. TIPOS DE BOMBAS Se pueden considerar dos grandes grupos: Dinámicas (Centrífugas, Periféricas y Especiales) y de Desplazamiento Positivo (Reciprocantes y Rotatorias). 

Bombas dinámicas: o

Bombas centrifugas.- Son aquellas en que el fluido ingresa a ésta por el eje y sale siguiendo una trayectoria periférica por la tangente.

o

Bombas periféricas.- Son también conocidas como bombas tipo turbina, de vértice y regenerativas, en este tipo se producen remolinos en el líquido por medio de los álabes a velocidades muy altas, dentro del canal anular donde gira el impulsor. El líquido va recibiendo impulsos de energía.

5



Bombas de desplazamiento positivo: o

Bombas reciprocantes.- Llamadas también alternativas, en estas máquinas, el elemento que proporciona la energía al fluido lo hace en forma lineal y alternativa.

La característica de funcionamiento es

sencilla. o

Bomba rotatoria.- Llamadas también rotoestáticas, debido a que son máquinas de desplazamiento positivo, provistas de movimiento rotatorio, y son diferentes a las rotodinámicas. Estas bombas tienen muchas aplicaciones según el elemento impulsor. El fluido sale de la bomba en forma constante, puede manejar líquidos que contengan aire o vapor. Su principal aplicación es la de manejar líquidos altamente viscosos, lo que ninguna otra bomba puede realizar y hasta puede carecer de válvula de admisión de carga.

5.3. BOMBAS CENTRIFUGAS Están formadas por un disco rotatorio denominado rodete, provisto de unas nervaduras o álabes dispuestos como indica la figura 8.23. La característica principal de la bomba centrífuga es la de convertir la energía de una fuente de movimiento (el motor) primero en velocidad (o energía cinética) y después en energía de presión. El rol de una bomba es el aporte de energía al líquido bombeado (energía transformada luego en caudal y altura de elevación), según las características constructivas de la bomba misma y en relación con las necesidades específicas de la instalación. El funcionamiento es simple: dichas bombas usan el efecto centrífugo para mover el líquido y aumentar su presión. Dentro de una cámara hermética dotada de entrada y salida (tornillo sin fin o voluta) gira una rueda con paleta (rodete), el verdadero corazón de la bomba. El rodete es el elemento rodante de la bomba que convierte la energía del motor en energía cinética (la parte estática de la bomba, o sea la voluta, convierte, en cambio, la energía cinética en energía de presión). El rodete está, a su vez, fijado al eje bomba, ensamblado directamente al eje de trasmisión del motor o acoplado a él por medio de acoplado rígido. Cuando entra líquido dentro del cuerpo de la bomba, el rodete (alimentado por el motor) proyecta el fluido a la zona externa del cuerpo-bomba debido a la fuerza centrífuga producida por la velocidad del rodete: el líquido, de esta manera, 6

almacena una energía (potencial) que se transformará en caudal y altura de elevación (o energía cinética).

Este movimiento centrífugo provoca, al mismo tiempo, una depresión capaz de aspirar el fluido que se debe bombear. Conectando después la bomba con la tubería de descarga, el líquido se encanalará fácilmente, llegando fuera de la bomba. El rodete de una bomba centrífuga se puede realizar según muchas variantes constructivas: rodetes abiertos, rodetes cerrados, rodetes semiabiertos, rodetes mono-canal, rodetes axiales, rodetes semiaxiales, rodetes desplazados, vórtice, a espiral, etc. Se pueden suministrar bombas centrífugas monoestadio, o sea, dotadas de un solo generador de caudal y presión (un rodete). Si hay varios rodetes (el primer rodete descarga el líquido sobre el segundo y así sucesivamente) se pueden suministrar, incluso, bombas centrífugas multiestadio, caracterizadas por la suma de presiones emanadas de cada rodete. El funcionamiento de la bomba centrífuga depende del momento inicial del cebado y del modo en el cual se asegura la aspiración del mismo líquido: si la bomba se coloca a un nivel inferior al de la vena de la que se extrae el líquido, éste entra espontáneamente en la bomba (de esta manera se obtiene una instalación bajo nivel). Mientras que si la bomba se coloca sobre el surgente de el cual se desea bombear, el líquido se aspirará: la bomba (así como la tubería de aspiración) tendrá que cebarse preventivamente, o sea, llena de líquido (se tratará de una bomba auto cebada).

7

5.4. PARTES DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA



Carcasa: La función de la carcasa en una bomba centrifuga es 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.



Impulsor: El impulsor es el corazón de la bomba centrifuga. 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.

8



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.

5.5. CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UNA BOMBA CENTRIFUGA Para la adecuada utilización de una bomba centrifuga resulta necesario conocer la variación de determinadas magnitudes como la presión de descarga, la potencia consumida y el rendimiento obtenido para cada valor del caudal. Estas variaciones se suelen expresar de forma gráfica para cada tipo de bombas lo que constituyen las denominadas curvas características de la bomba centrifuga. En la figura 8.26 se muestran las tres curvas indicadas, típicas de una bomba centrífuga convencional. 

H-Q:Variación de la carga total (en metros de líquido) frente al caudal(m3/min)



P-Q: Variación de la potencia al freno (la aplicada por el motor al eje, C.V.) frente al caudal.



n-Q: Rendimiento (potencia comunicada al fluido/potencia al freno) frente al caudal. Como se podrá observar, en vez de la presión de descarga de la bomba,

que depende de la densidad del fluido, es habitual manejar la altura de liquido alcanzada a la salida, es decir, la carga total de la bomba que naturalmente ya no depende de la densidad del fluido sino solamente de su viscosidad (para viscosidades inferiores a 40cp, esta dependencia deja de ser apreciable). Por tanto, no debe olvidarse que la carga total obtenida con cada bomba será la misma para cualquier líquido de una misma viscosidad.

9

A continuación se comentará brevemente cada una de las curvas anteriores. 

Curva carga-caudal Es siempre decreciente, pues al aumentar el caudal aumenta la velocidad de paso por el interior de la bomba, por lo que el fluido está sometido menos tiempo a la aceleración de los álabes del rodete, recibiendo una menor cantidad de energía cinética. Al salir el líquido con menor energía cinética, la carga total adquirida es también menor.



Curva potencia al freno-caudal Esta curva, es sensiblemente ascendente, pues al impulsar un caudal de líquido mayor, la energía que es necesario aplicar al eje de la bomba deberá ser también mayor. Sin embargo, un estudio de la disipación de potencia en los diversos elementos de la bomba, permite comprobar que la potencia que realmente aprovecha el fluido presenta un máximo.



Curva rendimiento-caudal Al ser el rendimiento el cociente entre la potencia comunicada al fluido y la potencia al freno se comprende que la curva característica del rendimiento frente al caudal presente también un máximo, que prácticamente coincide con el caudal óptimo. 10

De hecho, en la práctica se maneja un intervalo óptimo de caudales, alrededor

del

máximo,

en

el

cual

se

recomiendo

utilizar

la

bomba

considerada.Existen además de las curvas características citadas, curvas similares que expresan la variación de las magnitudes, carga H, potencia Na, rendimiento n, y caudal Q con la velocidad de giro o el tamaño del rodete de diámetro constante, Q, H, Na varían directamente con la velocidad de giro, con su cuadrado y con su tercera potencia respectivamente. Asimismo, para una velocidad de giro constante, Q, H y no varían directamente con el diámetro del rodete, con su cuadrado y su tercera potencia respectivamente.

5.6. NPSH PARA UNA BOMBA CENTRIFUGA El NPSH (Net Positive Suction Head) o “altura neta positiva de aspiración” es el término empleado para determinar las características que se deben dar a la aspiración de la bomba, siendo la diferencia entre la presión del líquido a bombear referido al eje del impulsor (plano de referencia) y la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo, referida a metros. Puede interpretarse como la altura de equilibrio de presión que nos dice cuántos metros debe tener la altura de presión en la línea de aspiración por encima de la presión de vapor del líquido para que no pueda producirse la vaporización del mismo, asegurándose así el perfecto trabajo de la bomba. Se puede hablar de dos tipos de NPSH: 

NPSH disponible.



NPSH requerido.

11

El NPSH disponible es una particularidad de la instalación y se define como la energía que tiene un líquido en la toma de aspiración de la bomba (independientemente del tipo de ésta), por encima de la energía del líquido, debido a su presión de vapor. El NPSH requerido es una característica de la bomba. Se determina por prueba o cálculo y es aquella energía necesaria para llenar la parte de aspiración y vencer las perdidas por rozamiento y el aumento de velocidad desde la conexión de aspiración de la bomba hasta el punto en que se añade más energía. El NPSH requerido varía según el diseño de la bomba, tamaño de ésta y condiciones de servicio, siendo un dato a facilitar por el fabricante de la bomba que

lo

determina

mediante

ensayos

llevados

a

cabo

con

bombas

geométricamente similares que funcionan a velocidad constante y caudal calibrados, pero variando las alturas de aspiración.

5.7. CAVITACIÓN En una bomba centrifuga que opere con un caudal del liquido elevado, si se aumenta la velocidad del rodete se produce, como se ha indicado, una disminución de la presión en el eje del mismo, por donde entra el líquido.

Desgaste producido por la cavitación en un rodete de una bomba centrífuga.

Si esta disminución hace que la presión en ese punto se haga menor que la presión de vapor del líquido en las condiciones de temperatura reinantes, se produce una vaporización local del líquido, con el consiguiente aumento brusco del volumen. Las burbujas de vapor, formadas son lanzadas por la acción de la fuerza centrifuga hacia la periferia, donde reina una presión mayor, por lo que se produce el efecto contrario, es decir, se condensan de nuevo al estado líquido con una 12

simultánea y repentina reducción de volumen. Este fenómeno caracterizado por unas bruscas expansiones y contracciones de volumen que se producen con ruido, vibraciones y choques bruscos del líquido contra las partes internas de la bomba, se denomina cavitación y puede producir daños serios en los álabes del rodete, que acaban picándose y rompiéndose. La cavitación de una bomba centrífuga indica que está mal diseñado el rodete para las condiciones particulares en que está trabajando la bomba, o que la velocidad de bombeo (el caudal de líquido) es demasiado alto. Se evita, pues, disminuyendo el caudal convenientemente, o en general, haciendo que la carga total en el punto de aspiración de la bomba sea suficiente para que la presión en su interior no pueda disminuir por debajo de la presión de vapor del líquido a esa temperatura, Es decir, que la suma de las cargas de presión y velocidad en el punto de aspiración sea mayor que la carga equivalente a la presión de vapor. Medios Para Evitar O Reducir La Cavitación 

Tener un conocimiento completo de las características del fenómeno en la bomba.



Conocimiento de las condiciones de succión existentes en el sistema.



Las condiciones pueden mejorar, eligiendo un tubo de succión de mayor diámetro, reduciendo su longitud y eliminando costos, así como todo aquello que pueda ocasionar pérdidas de carga.



Una revisión completa de todas las secciones de la cabeza de succión, impulsora y carcasa por donde va a pasar el líquido, cuidando de que no existan obstrucciones.

5.8 CARGA TOTAL: (H) Es la energía absorbida por el líquido; es la que necesita para vencer la altura estática total más las perdidas en las tuberías y accesorios del sistema. Para el esquema utilizado, haciendo un balance de energía entre el vacuómetro de succión (punto 1) y el manómetro descarga (punto 2) además tomando como punto de referencia la altura de la bomba, se tiene:

P2



 Z2 

V2 P1 V1  hw  hf   Z1  2g  2g

Como Z1 = 0:

13

 V2 - V1   P2 - P1    hf H  - hw     Z2       2g  Donde: H: Carga total (m) P1 : presión absoluta de succión (kgf/m2) P2 : presión absoluta de descarga (kgf/m2) Z2: altura hacia el punto 2 (m) V1 : velocidad de succión (m/s) V2: velocidad de descarga (m/s)

 :peso específico del fluído (kgf/m3) g: aceleración de la gravedad (m/s2)

5.9 CARGA ESTÁTICA DE DESCARGA Es la distancia vertical, en metros, del eje central de la bomba al punto de entrega libre del líquido.

5.10 CARGA ESTÁTICA DE SUCCIÓN Es la distancia vertical, en metros, del nivel de suministro del líquido al eje central de la bomba, encontrándose la bomba arriba del nivel de suministro. Las distancias horizontales no se consideran como parte de la elevación de succión estática, por lo que respecta a elevación

5.11 CARGA DE FRICCIÓN Se mide en metros de líquido, y es la columna equivalente necesaria para vencer la resistencia de las tuberías, válvulas y aditamentos del sistema de bombeo. La columna de fricción existe tanto en el extremo de succión como el de descarga de una bomba, y varía con la velocidad del líquido, tamaño del tubo, condición interior del tubo, tipo de tubo y naturaleza del líquido que se maneja. La resistencia de los aditamentos de los tubos generalmente se expresa en función de la longitud equivalente de tubo recto de la misma dimensión del accesorio.

hf  fD  .

L v2  D 2g 14

5.12 CARGA DE VELOCIDAD Un líquido que se mueve en un tubo a cualquier velocidad, posee una energía cinética debido a su movimiento. La columna de velocidad es la distancia de caída necesaria para que un líquido adquiera una velocidad dada, y viene dada en la formula:

v2 hr  2g Donde: hr: es la columna de velocidad, m de fluido. v: es la velocidad del líquido, m/s. g: aceleración debida a la gravedad, igual a 9.8m/s2 Nótese que la velocidad del líquido en el punto que se considera debe substituirse en esta relación por la columna de velocidad.

5.13 CARGA NETA DE LA BOMBA Para un sistema particular, una bomba sólo puede operar en un punto, y en éste la curva de carga H vs. Q del sistema intercepta a la curva H vs. Q de la bomba, según el balance de Bernoulli.

P1





v1 P v  z1  2  2  z 2  h f  hw 2g  2g

 hw  H 

P





v 2  z  h f 2g

5.14 POTENCIA REAL : (BHP) Es la potencia necesaria para vencer todas las perdidas y proporcionar al fluido la energía deseada. Estas pérdidas incluyen rozamiento originado por el paso del fluido turbulencia y rozamiento mecánico.

BHP( Kw) 

I  V  cos( ) 1000

Donde cos(θ) = 0.8

15

5.15 POTENCIA UTIL: (HPH) Es la potencia necesaria para impulsar el caudal Q a una altura H. HPH = Q *

*H

Donde: HPH: ( Kw) Q: caudal (m3/s) 3

)

H: carga hidrostática (m) Factor de conversión a Kw: 0.009807

5.16 EFICIENCIA DE BOMBA(η): Es la relación entre la potencia útil y la potencia al freno.





Potencia Entregada ( Hidráulica) Potencia Re cibida ( Mecánica)

HPH BHP

16

6. Detalles experimentales A. Materiales 

Sistema de bombeo o banco de prueba.



Tablero de encendido de la bomba donde se puede tomar medidas de potencia, intensidad y voltaje. En el caso de la intensidad se usa un factor de corrección de 30 para la lecturas tomadas y de 440 para las lecturas de potencias.



Un cronometro con el cual se toma los tiempos de llenado del tanque de descarga los cuales nos sirven para calcular en caudal.



Un Termómetro para medir la temperatura del fluido( agua).



Una wincha para medir las longitudes de las tuberías y dimensiones de los tanque de descarga.

B. Detalles del Equipo 

Bomba centrífuga monoblock monofásica marca “HIDROSTAL” modelo 32-125 con una potencia de 0.5 Hp, cuya frecuencia es 60 Hz y de 3450 RPM, aplicable para 50/60 ciclos y corriente de 115A/220 V.



Vacuómetro, en unidades de pulgadas de Mercurio.



Manómetro de reloj en unidades de psi.



Tubería de acero galvanizado de 2 pulg. y 1 ½ pulg. de diámetro nominal.



Una válvula de succión (válvula de compuerta)



Una válvula de descarga (válvula globo)



Tanque de descarga con tubo medidor de nivel



Tanque de suministro de agua



Accesorios( 2 codos de 90º, unión T)

C. Procedimiento Experimental 1. Primero se procede a encender la electrobomba. Para ello se debe mantener completamente abierta la válvula del tanque de descarga; asi como la válvula de succión y descarga de la bomba, verificando que la tubería de succión este llena de líquido (cebado), entonces se procede al encendido de la electrobomba. 2. Se debe realizar mediciones de los parámetros del sistema de bombeo como longitudes de las tuberías, del tanque de descarga y de la temperatura del fluido, en este caso agua líquida, que ayuden a realizar los cálculos. 3. Las mediciones se toman de dos formas: a. Prueba Nº1: Manteniendo fijo el caudal de succión (válvula de succión ¾ abierta) y variando la abertura de la válvula de descarga b. Prueba Nº2: Manteniendo fija la presión de descarga (manómetro 7psi) y variando la abertura de la válvula de succión

17

4. Para la Prueba Nº1 se procede de la siguiente forma: Se mantiene ¾ abierta la válvula de succión y se realizan 7 corridas de pruebas cada una de ellas variando la abertura de la abertura de la válvula de descarga, así para la primera corrida se empieza con la válvula de descarga totalmente abierta y luego para las demás corridas se va cerrando ligeramente la llave de la válvula de descarga, evitando el cierre completo de la valvula. Para cada corrida se deben efectuar las lecturas de potencia, intensidad y voltaje en el tablero de encendido de la bomba. 5. Para determinar el caudal de cada corrida se procede de la siguiente forma: Se verifica que el tanque de descarga este casi vacío, luego se procede a cerrar la llave del tanque de descarga e inmediatamente se hacen lecturas de tiempos de llenado del tanque en intervalos de altura del tanque constantes. Por ejemplo, se realizan medidas del tiempo en que tarda en llenarse el tanque cada 4 cm, Se toman los tiempos para varios intervalos y luego se calcula el valor promedio. 6. Para la Prueba Nº2 se procede de la siguiente forma: Se realizan 7 corridas cada en cada una de ellas se busca mantener constante la presión de descarga en 7 psi y se varia la abertura de la válvula de succión empezando completamente abierta y luego en cada corrida ir cerrando ligeramente hasta que el vacuómetro de la línea de succión marque un máximo de 15 plgHg. Para determinar el caudal se procede como en el paso 5.

D

18

7. Resultados Qprom ( m3/s)

Hcaracterística (m)

Hsistema (m)

NPSHdisponible

NPSHrequerido

BPH (kW)

HPH (kW)

%η

Primera serie 0,003564

6,71

6,04

9,48

1,58

0,7654

0,2341

30,59

0,003394

7,03

5,62

9,52

1,52

0,7654

0,2336

30,51

0,003240

7,34

5,25

9,56

1,48

0,7654

0,2328

30,41

0,003099

7,55

4,93

9,59

1,43

0,7654

0,2291

29,93

0,003099

7,79

4,93

9,59

1,43

0,7654

0,2363

30,87

0,002970

8,76

4,65

9,61

1,39

0,7654

0,2545

33,25

0,002458

9,98

3,65

9,71

1,23

0,6889

0,2402

34,87

0,001584

12,30

2,34

9,84

0,92

0,6277

0,1908

30,39

Segunda serie 0,003564

7,79

6,04

9,48

1,58

0,7501

0,2716

36,21

0,003099

7,80

4,93

9,59

1,43

0,7501

0,2366

31,55

0,002970

7,98

4,65

9,61

1,39

0,7399

0,2319

31,34

0,002742

8,13

4,18

9,66

1,32

0,7348

0,2182

29,70

0,002640

8,66

3,99

9,68

1,29

0,7144

0,2238

31,33

0,002228

9,27

3,26

9,75

1,15

0,6634

0,2022

30,47

0,002037

9,58

2,96

9,77

1,08

0,6481

0,1911

29,48

0,001371

10,18

2,11

9,86

0,83

0,5919

0,1366

23,08

19

8. Discusión de resultados 

De las grafica 01, Carga total ( H ) vs. Caudal ( Q ), se observa una disminución de la carga conforme se incrementa el caudal, esto debido a que la carga posee una relación directa con la presión (P), entonces, a medida que disminuye el caudal, P se incrementa, y por ende también lo hará la carga. Así mismo también se observa que la contribución de las perdidas por fricción y la energía cinética son mínimas frente a la variación de presiones.



De las graficas 05 y 06, Carga Neta de Succión Requerida (NPSH) vs. Caudal (Q), se puede observar que el NPSH requerido es siempre menor que el NPSH disponible, lo que indica que en ningún momento de la experiencia hubo cavitación.



De las graficas 02 y 03, Potencia (P) vs. Caudal (Q), se observa que la potencia entregada va incrementándose conforme el caudal se incrementa, esto se explica porque al impulsar un mayor caudal, los requerimientos de energía serán mayores, a su vez también existe la dispersión de energía (en forma de calor por ejemplo) que hace que la potencia requerida sea mayor que la útil y eso también se puede apreciar en las graficas mencionadas.



De la graficas 04, Eficiencia ( ) vs. Caudal (Q), se puede apreciar que existe un punto de inflexión en la curva, que representa la eficiencia máxima, el caudal correspondiente es el optimo. Para la primera serie, con abertura de válvula constante de ¾, la eficiencia es mayor que el de la segunda serie que es a presión constante de salida o descarga, esto se debe a que es más fácil transportar el fluido si en la succión no hay tanta resistencia (abertura de la valvula).

20

9. Conclusiones 

Una bomba centrífuga es un transformador de energía. Recibe energía mecánica, que puede proceder de un motor eléctrico y la convierte en energía que un fluido adquiere en forma de presión y de posición.



El NPSH es la energía que se necesita en la succión de la bomba por arriba de la presión de vapor del líquido a fin de que la bomba entregue una capacidad dada.



El BHP (potencia al freno) es mayor que el HPH (potencia útil) ya que no toda potencia suministrada por el motor a la bomba será transformada en energía hidráulica.



La carga neta positiva de succión disponible depende de la carga de elevación, la carga de fricción., y la presión de vapor del líquido manejado a la temperatura de bombeo. Si se varía cualquiera de estos puntos, el NPSH puede alterarse. La potencia útil es proporcional al caudal de operación.



En el sistema de bombeo o banco de prueba se establece que a mayor caudal la altura total de presión disminuye.

21

10. Recomendaciones 

Nunca se debe permite que la presión en cualquier sistema que maneje líquidos caiga por debajo de la presión de vapor del líquido.



No se debe estrangular nunca la succión de la bomba para regular el caudal. Tal práctica puede originar cavitación. Estrangular la descarga es más sencillo y no causa mayores problemas.



No debe operar la bomba con caudales excesivamente bajos debido a que provocaría ingreso de aire a la bomba.



La ubicación del manómetro de succión debe estar por lo menos a 10 veces el diámetro interno de la tubería.

22

11. Referencias bibliografía 1.-Mc Cabe, W .L .Operaciones Unitarias en Ingeniería Quimica.7ma.ed.Mexico: Mc Graw Hill, 2007, pag.215-226. 2.- Brown, G .G .Operaciones Básicas de la Ingeniería Química .ed. Nicaragua: Marín S.A, 85

95, pag.197-202.

3.-Shames, I. H .Mecánica de Fluidos.3era.ed.Colombia: Mc Graw Hill, 1995, pag.724, 725. 4.- Valiente Antonio, Manual del Ingeniero Químico, Limusa Noriega Editores, México 1993. Apéndice

23

12. Apendice 12.1

EJEMPLO DE CALCULOS

Todos los cálculos se realizaron para la 5ta corrida de la primera serie. 1.- Determinación del caudal (Q)

Q  V/t  Ah/t L = 59.70cm 2 2 A =L = (59.70cm) 2 2 V = L ×h = (59.70cm) (4cm)

(59.70cm) 2 (4cm) 4.60s 3 3 Q = 3099.21cm /s = 0.0031m /s Q=3.10L/s Q

h (m)

t(s)

0.04

5

0.04

5

0.04

4

0.04

5

0.04

4

h = 0.04m

t = 4.60s

2.- Determinación de la potencia de la bomba (H) (2) P2 descarga V2 descarga

Z2 = 1,3

P1 succión NR:……

V1 succión 0.24 m

Z1 = 0

De la ecuación de bernoulli P1 v 12 P v 2   Z1  2  2  Z 2  h f  h w γ 2g γ 2g  hw  H

P2  P1 v 2 2  v 12   Z 2  Z1  h f γ 2g

P2  P1 v 2 2  v 12   Z 2  Z1  h f γ 2g

*P1 = Presión absoluta en 1 = Patm – Pvacuometro Patm = 10.3327mH2O Pvacuometro = 3.2inHg

3.2pulgHg 

2.54cmHg 10mmHg 406.8pulgH 2 O 2.54cmH 2 O 1mH 2 O      1.1051mH 2 O 1pulgHg 1cmHg 760mmHg 1inH 2 O 100cm

24

Presión absoluta en 1 = 9.2276mH2O *P2 =Presión absoluta en 2 =Patm + Pmanometro Patm = 14.696psi Pmanometro = 7.000 psi (manómetro) Presión absoluta en 2 = Patm + P manométrica = 14.696 + 7 = 21.6967psia

21.696psia 

406.8pulgH 2 O 2.54cm 1m    15.25mH 2 O 14.696psia 1pulg 100cm

P2 =Presión absoluta en 2 =15.2544mH2O * Velocidades: 2

Diámetros

Áreas (m )

Tubo 2in = 0.0525m

0.002165

Tubo 1 1/2 in = 0.0409m

0.001313

3

Para un caudal de 0.0031 m /s:

Q  A 1V1

Q  A 2 /V2

V1  Q/A 1

V2  Q/A 2

V1 

0.0031m 3 /s

0.002165m V1  1.4313m/s

V2 

2

0.0031m 3 /s

0.001313m 2 V2  2.3604m/s

* Z 2  Z1  1.38m * Cálculo de pérdidas por fricción: h f  fD

v 2L 2gD

Se requiere la determinación de fD (factor de fricción)

que es función del número de

Reynolds y de la rugosidad relativa:

Re 1 

v 1D1ρ (1.4313m/s )(0.0525m) (998.80Kg/ m 3 )   69429.30 μ 1.0810  10 3 Kg/m.s

Re 2 

v 2D 2 ρ (2.3604m/s )(0.0409m) (998.80Kg/ m 3 )   89199.36 μ 1.0810  10 3 Kg/m.s

Є/D1 = 0.0009 Є/D2 = 0.0012 Del gráfico de Moody se obtiene:

f D 1= 0.0195

f D 2=0.0220

25

Para tubo 2 in:

hf 1  fD1

v 12 L (1.4313m/s ) 2 (0.24m)  0.0195   0.0093m 2gD 1 2(9.8m/s 2 )(0.0525m)

Para el tubo 1 ½ in:

hf 2  fD2

v 2 2L (2.3604m/s ) 2 (1.205m)  0.0220   0.1567m 2gD 2 2(9.8m/s 2 )(0.0409m)

hf  hf1  hf 2  0.0093m  0.1567m  0.1660m Remplazando valores en la ecuación de Bernoulli.

H

P2  P1 v 2 2  v 12   Z 2  Z1  h f γ 2g

H  15.2544  9.2276  

2.3604 2  1.4313 2  1.38  0.1660 2  9.8 H =7.75m

3.- Cálculo de la potencia entregada por el motor (BHP):

BHP  VIcosφ Icaja = 150/34.49 A = 4.35A

BHP 

220Vx4.35A x(0.8) 1000

BHP 0.7656kW 4.- Cálculo de la potencia consumida por el fluido (HPH):

HPH  QHγ γ = ρ×g 0

ρH2O (17 C) = 998.80Kg/m

3

γ = 998.80×9.80 = 9788.24N/m

3

HPH  0.0031m 3 /s  7.75mH 2 O  9788.24N/m

3

HPH 0.2352kW 5.- Cálculo de la eficiencia del motor (n):

 

HPH  100% BHP

0.2352Kw 100% 0.7656Kw η = 30.72%

26

6.- Cálculo del NPSH requerido, (Net Positive Suction Head) Conociendo el r.p.m. del motor podemos calcular el NPSH requerido como: 2 0.67

NPSH requerido = 0.00125 (Q * n )

Donde: 3

Q: caudal (m /s) n = 3450 r.p.m (numero de revoluciones). para el modelo 32 – 125 – 0,5 Reemplazando: NPSH

requerido

 0.00125(0. 0031  3450 2 ) 0.67

Npshrequerido = 1.4348m

7.- Cálculo del NPSH disponible: El NPSH requerido es calculado mediante las gráficas características del fabricante. Z = 22cm h + z = 55.2cm Por definición: NPSH 

P2 V22 Pv   ρ 2gc ρ

Haciendo un balance de energía entre 1 y 2 P1 V12 Z 1g   ρ 2gc gc



P2 V22 Z 2 g    hf ρ 2gc gc

Donde: 2 Z g Z g Patm  ρgh/gc V1   1  2  hf ρ 2gc gc gc



P2 V22  ρ 2gc

Como el punto 1 esta afuera del tubo el área es infinita y V1=0

Patm  ρgh/gc (Z1  Z 2 )g   hf ρ gc



P2 V22  ρ 2gc

Se multiplica el primer término por gc:

27

Patm  gc  ρgh (Z1  Z 2 )g   hf ρ  gc gc



P2 V22  ρ 2gc

Considerando que Z1 – Z2 = -(h+z)

Patm gh (h  z)g    hf ρ gc gc

Patm zg   hf succión ρ gc





P2 V22  ρ 2gc



P2 V22  γ 2g

Patm  z  hfsucción γ

O también:

NPSH 

Finalmente obtenemos:

P2 V22  ρ 2gc

Patm Pv  z  hfsucción  γ γ

Se tiene lo siguiente:

Patm 101325N/m 2   10.3517m γ 9788.24N/m 3 hf succión  fD

v 2L total 2gD

Longitudes equivalentes: Longitud Tubería:

1.6060m

Válvula de compuerta

0.4m

Codo de 90ª

1.4m

Válvula de retención (tipo liviana)

4.2m

hf succión  fD

v 2L total (1.4313m/s ) 2 (1.6060  0.4  1.4  4.2)m  0.0195  2gD 2(9.80m/s) (0.0525m) hf succión  0.2953m Z =0.22m

Pv

 NPSH D 

 =0.20m

Patm Pv  z  hf succión   (10.3517  0.2200  0.2953  0.20)m  9.6364m γ γ NPSHD = 9.6364m

28

8.- determinación de la carga neta del sistema (Hsistema)

H

(Pdescarga  Psucción )

*Pdescarga = P atm

γ



2 2 (Vdescarga  Vsucción )

2g

 ΔZ  hf

Psuccion= P atm

Entonces: Pdescarga –Psuccion= 0 * Vdescarga  2.3604m/s

Vsuccion  1.4313m/s *ΔZ = 1.3330m *Para la tubería de succión: hfsuccion= 0.2953m *para la tubería de descarga:

hfdescarga  fD2

v 22 (Ltuberia  Leq accesorios) v 22L total  fD2 2gD 2 2gD 2

L Tubería Limpia = 3.6010m L Equivalente accesorios = L (codo 90 1.5 in) + L (codo 90 1.5 in) + L (Válvula globo 1.5in) L Equivalente L Total

accesorios = 1.1

Descarga

+ 1.1 + 13.4 = 15.60 m

= 19.2010m

hf descarga  0.0220 

(2.3604m/s ) 2 (19.2010m) 2(9.8m/s 2 )(0.0409m)

 2.9359m

hf  hf succion  hf descarga  0.2953m  2.9359m  3.2312m Reemplazando en ecuación (1)

H0

(2.3604 2  1.4313 2 ) 2  9.8

 1.3330  3.2312

Hsistema = 4.7439m

29

12.2

GRÁFICAS 14 12

H (m)

10 8 Series1

6

Series2 4 2 0 0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

0.0035

0.0040

Q (m3/s)

Grafica 1.- Curva característica H (m) vs Q (m3/s) para la bomba modelo 32-125-0.5, ½ hp, frecuencia 60 Hz y 3450 RPM.

0.30

0.25

HPH (KW)

0.20

0.15

Series1 Series2

0.10

0.05

0.00 0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

0.0035

0.0040

Q (m3/s) Grafica 2.-Curva característica HPH (Kw) vs Q (m3/s) para la bomba modelo 32-125-0.5, ½ hp, frecuencia 60 Hz y 3450 RPM

30

0.90 0.80 0.70 0.60 BHP (KW)

0.50 Series1

0.40

Series2

0.30 0.20 0.10 0.00 0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

0.0035

0.0040

Q (m3/s) Grafico 3.-Curva característica BHP (Kw) vs Q (m3/s) para la bomba modelo 32-125-0.5, ½ hp, frecuencia 60 Hz y 3450 RPM.

40 35 30

n (%)

25 20 Series1 15

Series2

10 5 0 0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

0.0035

0.0040

Q (m3/s)

Grafica 4.-Curva característica η (%) vs Q (m3/s) para la bomba modelo 32-125-0.5, ½ hp, frecuencia 60 Hz y 3450 RPM.

31

9.90 9.85 9.80

NPSHD (m)

9.75 9.70 Series1

9.65

Series2

9.60 9.55 9.50 9.45 0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

0.0035

0.0040

Q (m3/s)

Grafico 5.- NPSH disponible vs Q (m3/s) para el sistema dado

1.80 1.60 1.40

NPSHR (m)

1.20 1.00 Series1

0.80

Series2

0.60 0.40 0.20 0.00 0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

0.0035

0.0040

Q (m3/s) Grafico 6.-Curva característica NPSH req vs Q (L/s) para la bomba modelo 32-125-0.5, ½ hp, frecuencia 60 Hz y 3450 RPM.

32

14 12

Hsistema (m)

10 8

Series4 Series1

6

Series2 Series3

4 2 0 0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

0.0035

0.0040

Q (m3/s) Grafica 7.- Curva característica del sistema H (m) vs Q (m3/s) para la bomba modelo 32125-0.5, ½ hp, frecuencia 60 Hz y 3450 RPM.

33

12.3

TABULACION DE DATOS EXPERIMENTALES TABLA Nº 1 CONDICIONES DE LABORATORIO Presión atmosférica (mmHg)

Temperatura (C)

756

17

TABLA N° 2 CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBA CENTRÍFUGA Marca

Hidrostal

Tipo

32-125-0.5

Potencia (hp)

0.5

Frecuencia (Hz)

60

Velocidad (rpm)

3450

TABLA N° 3 SUCCION

DESCARGA

Diámetro nominal cédula 40

2”

1 ½”

Diámetro interno (m)

0.05250

0.04089

Rugosidad relativa

0.00088

0.0012

Longitud (m)

160.60

3.60

Material

Hierro forjado

Hierro forjado

TABLA N° 4 CARACTERÍSTICAS DEL TANQUE DE DESCARGA Largo (m)

0.57

Ancho (m)

0.57

2

Área (m )

0.3249

Altura de medición (m)

0.04

34

TABLA Nº 5 PROPIEDADES DEL AGUA A 17°C 2

Presión de vapor (kgf/m )

196.4

Viscosidad (kg/m-s)

0,001081

3

Densidad (kg/m )

998,8 3

Peso Específico (kgf/m )

9798,228

TABLA N° 6 Longitud (m) Tubería de succión

1.6060

Tubería de descarga

3.6010

accesorios

Leq (m)

0

Codo de 90 2`` 0

1.4

Dodo de 90 1.5``

1.1

Válvula de retención 2``

4.2

Válvula de compuerta 2``

0.4

Válvula de globo 1.5``

13.4

35

TABLA Nº 7: Primera serie (presión de descarga entre 5 psi a 15 psi en el manómetro)

Presión de succión (pulgHg)

Presión de descarga (psi)

Tiempo Intensidad promedio Potencia (kw) (A) (S)

3.8

5.0

4.0

4.3491

3.8

5.5

4.2

3.8

6.0

3.5

3

Voltaje(V)

Q (m /S)

440

220

3.25×10

-3

4.3491

440

220

3.09×10

-3

4.4

4.3491

440

220

2.95×10

-3

6.5

4.6

4.3491

430

220

2.83×10

-3

3.2

7.0

4.6

4.3491

420

220

2.83×10

-3

3.0

8.5

4.8

4.3491

400

220

2.71×10

-3

2.2

10.8

5.8

3.9142

370

220

2.24×10

-3

1.8

14.5

9.0

3.5663

315

220

1.44×10

-3

TABLA Nº 8: Segunda serie (presión de descarga constante de 7psi

Presión de succión (pulgHg)

Presión de descarga (psi)

Tiempo promedio( S)

2.8

7

4.0

4.26

3.2

7

4.6

3.8

7

4.4

Intensidad Potencia(kw) (A)

3

Voltaje(V)

Q(m /S)

440

220

3.25×10

-3

4.26

420

220

2.83×10

-3

4.8

4.20

410

220

2.71×10

-3

7

5.2

4.18

400

220

2.50×10

-3

6.0

7

5.4

4.06

380

220

4.21×10

-3

8.0

7

6.4

3.77

350

220

2.03×10

-3

9.0

7

7.0

3.68

325

220

1.86×10

-3

11

7

10.4

3.36

280

220

1.25×10

-3

36

11.4 TABLAS PARA GRAFICAR TABLA N º 1: Valores para graficar la curva de la bomba. (H vs Q) Primera serie 3

H (m)

0,003564

Segunda serie 3

H (m)

6,71

0,003564

7,79

0,003394

7,03

0,003099

7,80

0,003240

7,34

0,002970

7,98

0,003099

7,55

0,002742

8,13

0,003099

7,79

0,002640

8,66

0,002970

8,76

0,002228

9,27

0,002458

9,98

0,002037

9,58

0,001584

12,30

0,001371

10,18

Q (m /s)

Q (m /s)

TABLA Nº 2: Valores para graficar HPH vs Q. Primera serie 3

HPH (KW)

0,003564

Segunda serie 3

HPH(KW)

0,2341

0,003564

0,2716

0,003394

0,2336

0,003099

0,2366

0,003240

0,2328

0,002970

0,2319

0,003099

0,2291

0,002742

0,2182

0,003099

0,2363

0,002640

0,2238

0,002970

0,2545

0,002228

0,2022

0,002458

0,2402

0,002037

0,1911

0,001584

0,1908

0,001371

0,1366

Q (m /s)

Q (m /s)

37

TABLA Nº 3: Valores para graficar BHP vs Q. Primera serie 3

BHP (KW)

0,003564

Segunda serie 3

BHP(KW)

0,7654

0,003564

0,7501

0,003394

0,7654

0,003099

0,7501

0,003240

0,7654

0,002970

0,7399

0,003099

0,7654

0,002742

0,7348

0,003099

0,7654

0,002640

0,7144

0,002970

0,7654

0,002228

0,6634

0,002458

0,6889

0,002037

0,6481

0,001584

0,6277

0,001371

0,5919

Q (m /s)

Q (m /s)

TABLA Nº 4: Valores para graficar n vs Q. Primera serie 3

n (%)

0,003564

Segunda serie 3

n (%)

30,59

0,003564

36,21

0,003394

30,51

0,003099

31,55

0,003240

30,41

0,002970

31,34

0,003099

29,93

0,002742

29,70

0,003099

30,87

0,002640

31,33

0,002970

33,25

0,002228

30,47

0,002458

34,87

0,002037

29,48

0,001584

30,39

0,001371

23,08

Q (m /s)

Q (m /s)

38

TABLA Nº 5: Valores para graficar NPSHD vs Q. Primera serie 3

NPSHD (m)

0,003564

Segunda serie 3

NPSHD (m)

9,48

0,003564

9,48

0,003394

9,52

0,003099

9,59

0,003240

9,56

0,002970

9,61

0,003099

9,59

0,002742

9,66

0,003099

9,59

0,002640

9,68

0,002970

9,61

0,002228

9,75

0,002458

9,71

0,002037

9,77

0,001584

9,84

0,001371

9,86

Q (m /s)

Q (m /s)

TABLA Nº 6: Valores para graficar NPSHR vs Q. Primera serie 3

NPSHR (m)

0,003564

Segunda serie 3

NPSHR (m)

1,58

0,003564

1,58

0,003394

1,52

0,003099

1,43

0,003240

1,48

0,002970

1,39

0,003099

1,43

0,002742

1,32

0,003099

1,43

0,002640

1,29

0,002970

1,39

0,002228

1,15

0,002458

1,23

0,002037

1,08

0,001584

0,92

0,001371

0,83

Q (m /s)

Q (m /s)

39

TABLA Nº 7: Valores para graficar Hsistema vs Q. Primera serie 3

Hsistema (m)

0,003564

Segunda serie 3

Hsistema (m)

6,04

0,003564

6,04

0,003394

5,62

0,003099

4,93

0,003240

5,25

0,002970

4,65

0,003099

4,93

0,002742

4,18

0,003099

4,93

0,002640

3,99

0,002970

4,65

0,002228

3,26

0,002458

3,65

0,002037

2,96

0,001584

2,34

0,001371

2,11

Q (m /s)

Q (m /s)

40

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

(Universidad del Perú, decana de América) FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICA E.A.P DE INGENIERÍA QUÍMICA (0.72) DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE OPERACIONES UNITARIAS

Laboratorio de ingeniería química I

TITULO DE LA PRÁCTICA: 

Determinación de la curva característica de la Bomba centrifuga Hidrostal de 3450rpm tipo 32-125-0.5

PROFESOR: 

Ing. Eustedio Teófilo Meneses Solís

ALUMNOS: 

Reynaldi Jimenez, Cristian

06070113



Saccsa tacas, Cesar

07070094



xxxx, yonathan

06070

TURNO:  Lunes de 8:00am-2:00pm FECHA DE REALIZACIÓN: 29/08/2011 FECHA DE ENTREGA: 02/09/2011

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