Laboratorio de Bomba Centrifuga

Informe de Laboratorio de Bomba Centrifuga Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de hidráulica, Civ B. LABORATORIO DE BOMBA CENTRIFUGA Juliana Torres Palomar [email protected] Resumen La experiencia experiencia plasmada en este informe buscaba buscaba interpretar e identificar identificar las características caracterís ticas de una bomba centrifuga con ayuda de esta se es posible determinar sus curvas características y utilizar las leyes de similitud. similit ud. Para llegar a este punto fue 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,  presión a la succión succión y descarga descarga de la bomba a distintos caudales caudales y por cada velocidad de 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 los datos experimentales por cada medida del variador; y así determinarse las Leyes de Similitud. Palabras Clave

Centrifuga, presión, descarga, sistema, velocidad. Introducción

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 Psucción, Pdescarga, caudales, eficiencia, potencia. Teniendo presente el campo de aplicación de las bombas centrifugas presentes en la práctica de laboratorio estas son definidas como maquinas hidráulicas que suministran energía a un fluido incompresible, para efectuar su transporte o para proporcionar potencia hidráulica. 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 adquiere en forma de presión, de posición o de velocidad.  Así tendremos tendremos bombas bombas que se se utilizan para cambiar cambiar la posición posición de un cierto fluido. fluido.

Figura 1. Bomba.

Informe de Laboratorio de Bomba Centrifuga Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de hidráulica, Civ B.

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.

Figura 2. Sistema de bomba centrifuga.

Informe de Laboratorio de Bomba Centrifuga Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de hidráulica, Civ B. Resultados

Como primer paso para desarrollar los cálculos, se debió convertir los datos de las presiones de succión (kgf/cm 2), y presiones de descarga (psi) obtenidas en el laboratorio en columnas de agua, como se muestra en las siguientes tablas. N=2300 rpm = 40 Hz 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

Caudal 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Psuccion (metro columna de agua) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Pdescarga (metro columna de agua) 14.06 12.654 11.951 10.545 8.436 7.03 6.327 5.624 4.218 3.515

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

Informe de Laboratorio de Bomba Centrifuga Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de hidráulica, Civ B. N = 3450 rpm = 60Hz 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

Psuccion (metro columna de agua) 0 0 -196123.18

Caudal 11 12 13

Pdescarga (metro columna de agua) 21.09 14.06 7.03

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: Ho (cm)

38.7

Ltsuccion (m)

0.64

Dtsuccion

0.42

Heje tuberia

0.83

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.

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De esta manera fue posible graficar Q Vs. Hb. Psuccion (metro columna de agua) 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Pdescarga (metro columna de agua) 14,060 12,654 11,951 10,545 8,436 7,030 6,327 5,624 4,218 3,515

Q(L/s)

Qsucc(m3/s)

Hb

1,0247

0,001025

14,0600

1,6212

0,001621

12,6540

1,9497

0,001950

11,9510

2,4738

0,002474

10,5450

2,9855

0,002986

8,4360

3,4580

0,003458

7,0300

3,6591

0,003659

6,3270

3,8673

0,003867

5,6240

4,0825

0,004083

4,2180

4,1929

0,004193

3,5150

Tabla 4. Resultados Q Vs. Hb

16.0000

Q vs Hb

14.0000 12.0000     ) 10.0000    a    c    m 8.0000     (     b    H 6.0000

4.0000

y = -3292.4x + 18.088 R² = 0.9841

2.0000 0.0000 Q(m3/s)

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 m 3/s, quedando así la potencia en Watts). Con los datos obtenidos se realizo la Grafica 2.

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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

Tabla 5. Resultados Caudal Vs. Potencia.

Q vs P 280.0000 260.0000 240.0000     ) 220.0000    w     (    a    i 200.0000    c    n    e    t 180.0000    o    P 160.0000

140.0000 120.0000 100.0000

Q (m3/s)

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.

Informe de Laboratorio de Bomba Centrifuga Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de hidráulica, Civ B. Psuccion (metro columna de agua) 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Pdescarga (metro columna de agua) 14,060 12,654 11,951 10,545 8,436 7,030 6,327 5,624 4,218 3,515

Qsucc(m3/s)

Eficiencia N (%)

0,001025

9,4729

0,001621

13,4888

0,001950

15,3202

0,002474

17,1515

0,002986

16,5597

0,003458

15,9839

0,003659

15,2221

0,003867

14,3004

0,004083

11,3223

0,004193

9,6902

Tabla 6. Resultados Caudal Vs. Eficiencia

Q vs n 20.0000 18.0000 16.0000     ) 14.0000    n     ( 12.0000    a    i    c    n 10.0000    e    i    c    i 8.0000     f    E 6.0000 4.0000 2.0000 0.0000

Q (m3/s)

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:

Informe de Laboratorio de Bomba Centrifuga Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de hidráulica, Civ B. 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

Tabla 7. Datos de Atsucción. Psuccion (metro columna de agua)

Pdescarga (metro columna de agua)

Qsucc(m3/s)

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

Velocidad

Tabla 8. Resultados Q Vs. NPSH

Q vs NPSH 37.8708 37.8708 37.8708    H37.8708    S    P    N37.8708

37.8708 37.8708 37.8708

Q (m3/s)

Grafica 4. Q Vs. NPSH

hf

NPSH

Informe de Laboratorio de Bomba Centrifuga Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de hidráulica, Civ B. Para N = 3450 rpm = 60Hz

Se resuelve mediante las mismas formulas utilizadas para N = 2300 rpm = 40 Hz. Obteniendo los siguientes resultados. Psuccion (metro columna de agua) 0 0 -196123,18

Pdescarga (metro columna de agua) 21,09 14,06 7,03

QSuc(L/s)

Q (m3/s)

Hb

3,3601 4,6525 5,7965

0,003360 0,004652 0,005796

21,0900 14,0600 196130,2100

Tabla 9. Resultados Q Vs. Hb

Q vs Hb 250000.0000 200000.0000 150000.0000     )    a    c    m100000.0000     (     b    H

y = 8E+07x - 297152 R² = 0.7189

50000.0000 0.0000 -50000.0000

Q (m3/s)

Grafica 5. Q Vs. Hb Psuccion (metro columna de agua) 0 0 -196123,18

Pdescarga (metro columna de agua) 21,09 14,06 7,03

Q (m3/s)

Potencia

0,003360

694,899

0,004652

641,447

0,005796

11148055,082

Tabla 10. Resultados Caudal Vs. Potencia.

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Q vs P 12000250.000 10000250.000     )    w     (    a    i    c    n    e    t    o    P

8000250.000 6000250.000 4000250.000 2000250.000 250.000 0.001500 0.002500 0.003500 0.004500 0.005500 0.006500 Q (m3/s)

Grafica 6. Caudal Vs. Potencia. Psuccion (metro columna de agua) 0 0 -196123,18

Pdescarga (metro columna de agua) 21,09 14,06 7,03

Q (m3/s)

Eficiencia N (%)

0,003360

46,594

0,004652

43,010

0,005796

747489,277

Tabla 11. Resultados Caudal Vs. Eficiencia.

Q vs N 800020.000 700020.000 600020.000

    )    n     ( 500020.000    a    i    c 400020.000    n    e    i    c    i 300020.000     f    E

200020.000 100020.000 20.000 0.001500 0.002500 0.003500 0.004500 0.005500 0.006500 Q (m3/s)

Grafica 7. Caudal Vs. Eficiencia

Informe de Laboratorio de Bomba Centrifuga Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de hidráulica, Civ B.

Psuccion (metro

Pdescarga (metro

columna de agua)

columna de agua)

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

Q (m3/s)

Velocidad

hf

NPSH

Tabla 12. Resultados Q Vs. NPSH.

Q vs NPSH 37.8708 37.8708 37.8708 37.8708    H37.8708    S    P    N37.8708

37.8708 37.8708 37.8708 37.8708 0.001500

0.002500

0.003500

0.004500

0.005500

0.006500

Q (m3/s)

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.

Informe de Laboratorio de Bomba Centrifuga Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de hidráulica, Civ B. 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. (5). Zubicaray, Viejo. 1981. Bombas; teoría, diseño y aplicaciones . 1984: lumisa, 1981.