Bomba Centrífuga Velocidad Variable
EXPERIMENTO N° ¿?
Q) 4. Potencia vs Caudal ( W
BOMBA CENTRÍFUGA VELOCIDAD VARIABLE (Versión Preliminar)
5. Eficiencia vs Caudal ( ( Q)
INTRODUCCIÓN [1] En las plantas de proceso se han adoptado nuevos conceptos para reducir el consumo de energía. Los crecientes costos de la energía, por ejemplo, han ocasionado que se dé mayor importancia a la eficiencia de los sistemas de unidades motrices. En el pasado, el flujo de los líquidos de proceso, por lo general, ge neral, se regulaba por estrangulación, en donde se hacía funcionar la bomba a su plena velocidad constante y se restringía el flujo con una válvula de control para variarlo. Pero esto desperdicia energía [1] Las unidades motrices de velocidad variable en las plantas de proceso son muy amplias. Muchos tipos de bombas (centrífugas, de desplazamiento positivo, de tornillo, tornillo, etc.) y ventiladores (enfriamiento de aire, torres de enfriamiento, calefacción y ventilación, etc.) así como mezcladores, transportadores, etc. se impulsan con unidades motrices de velocidad variable [1]
OBJETIVOS 1. Comprender el funcionamiento de una bomba centrífuga operando a velocidad variable. 2. Construir, para diferentes velocidades de rotación, las curvas características de una bomba centrífuga, a saber: 3. Cabeza vs Caudal ( H H Q) Q)
6. Observar el comportamiento de la potencia de accionamiento a diferentes velocidades de operación de la bomba 3. Aplicar los parámetros adimensionales de las máquinas hidráulicas y las leyes de similitud.
CONCEPTOS TEÓRICOS La bomba centrífuga eleva la la presión del líquido al aumentar primero su velocidad, para a continuación, convertir esa energía de velocidad en energía de presión. El impulsor es la parte que transmite la energía a l líquido. Este fluye desde el tubo de succión de la bomba y entra a la abertura del centro del impulsor, llamado ojo. El impulsor gira, movido a su vez por un motor u otra máquina. El líquido se impulsa en dirección centrífuga, o sea radialmente hacia afuera, debido al movimiento de los álabes o aspas del impulsor. La velocidad del líquido aumenta mucho en esta sección. La carcasa de la bomba contiene y guía el líquido hacia la abertura de descarga. La acción del impulsor aumenta la velocidad del líquido, pero no su presión. La energía de velocidad se convierte en energía de presión al disminuir la velocidad. Esto se logra aumentando el área de flujo en lo que se llama voluta de la carcasa.
Características de las bombas Los conceptos más importantes en el funcionamiento de una bomba son la presión o carga (altura) que puede desarrollar, el flujo o caudal que
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entrega, la potencia necesaria para impulsarla, y su eficiencia. A todos estos conceptos se les denomina características de la bomba. Las características se presentan, en general, en forma de curvas para cada bomba y se pueden emplear para seleccionar la bomba adecuada para la aplicación requerida.
=
, 5
de
turbomáquinas,
se
pueden obtener, para una tamaño de 2 rodete dado, las siguientes relaciones : La capacidad varía directamente con la velocidad:
2 = 2 1 1
presentan
Q = Caudal. N = velocidad de rotación, 1 y 2 condiciones iniciales y finales respectivamente
1. Flujo contra carga (caudal contra cabeza)
La cabeza varía con el cuadrado de la velocidad
Las curvas que se generalmente son cuatro:
2 = (2)2 1 1
2. Flujo contra potencia al freno (BHP, Brake Horsepower). 3. Flujo contra eficiencia 4. Flujo contra NPSHr Positive Suction Head)
H
(Net
Las curvas características de una bomba las establece el fabricante mediante pruebas de laboratorio.
LEYES DE AFINIDAD La mayoría de las bombas centrífugas se operan a velocidades distintas para 1 obtener capacidades variables . Además, una carcasa de bomba de tamaño dado es susceptible de alojar impulsores (rodetes) de diámetros diferentes [2]
cabeza
La potencia requerida por la bomba varía con el cubo de la velocidad
P = potencia
2 = (2)3 1 1
La potencia suele representarse también con la letra W La (NPSH)R varía con el cuadrado de la velocidad.
2 = (2)2 1 1
NPSH)R = Net Positive Suction Head Required.
Para una bomba cuya velocidad de rotación cambia: A partir de los coeficientes de caudal,
= , cabeza = y potencia
2 1
En muchas instalaciones se tienen condiciones de operación dinámicas, las cuales requieren variaciones en el caudal suministrado por la bomba
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Igualando los respectivos coeficientes caudal, cabeza y potencia a las velocidades rotación N1 y N2 respectivamente, considerando que el diámetro del rodete cambia.
de de y no
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Para una bomba en la cual se modifica sólo el diámetro exterior del rodete (carcasa no cambia) La capacidad varía directamente con el diámetro:
2 = 2 1 1 Q = Caudal. D = diámetro exterior del rodete, 1 y 2 condiciones iniciales y finales respectivamente La cabeza varía con el cuadrado del diámetro
2 = (2)2 1 1
La potencia requerida por la bomba varía con el cubo del diámetro
P = potencia
2 = (2)3 1 1
La potencia suele representarse también con la letra W La eficiencia permanece casi constante para cambios en la velocidad y para cambios pequeños en el diámetro del rodete [2]
Nota: Observe que las leyes de afinidad, para el caso de la modificación en el diámetro exterior del rodete, no se obtienen de los coeficientes de caudal, cabeza y potencia; porque en este caso se pierde la similitud geométrica (la carcasa no cambia pero el rodete sí)
UNIDADES MOTRICES TÍPICAS EN BOMBAS CENTRÍFUGAS Motores eléctricos: Motores de corriente alterna Motor de inducción de jaula de ardilla: Es el motor más comúnmente usado para mover las bombas; este motor opera a una velocidad inferior a la 3 velocidad síncrona debido a un 4 deslizamiento específico [3] Motor Síncrono: Es similar al motor de jaula de ardilla, excepto que opera a la velocidad síncrona y su rotor está construido con un número definido de polos salientes sobre los cuales está embobinado un devanado de campo y conectado a una fuente de corriente directa que lo excita [3]
Motores de corriente directa Los motores de corriente directa sólo son ocasionalmente usados para accionar bombas. Este es el caso cuando sólo se dispone de corriente directa como en automóviles, barcos, ferrocarriles, aviación y operación de baterías de emergencia [3]
Motores de combustión Interna: El motor de combustión interna se usa extensamente como unidad motriz para las bombas de tipo centrífugo y de desplazamiento positivo. Según su aplicación, el motor puede ser de gasolina, de gas natural, de gas licuado de petróleo (GLP) o combustible diésel (ACPM). [3]
3
= 60∗ # , = , = , #=# % = −∗100 , = í, = 4
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Turbinas de vapor: Las turbinas de vapor se usan para mover los diferentes tipos de bombas por muchas razones, como las siguientes: (1) Una bomba movida por una turbina de vapor se puede operar dentro de una gama amplia de velocidades utilizando el gobierno de la turbina. (2) Con una turbina de vapor se puede operar la bomba independientemente del sistema de distribución eléctrica, dando confiabilidad a su operación (3) Las turbinas de vapor se pueden usar para mover toda clase de bombas (4) Las turbinas de vapor son inherentemente autolimitantes con respecto a la potencia desarrollada (5) son de bajo mantenimiento y baja vibración y trabajan en forma silenciosa, etc [3].
Unidades motrices velocidad variable
eléctricas
DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO El equipo consta de una bomba centrífuga convencional acoplada a un 5 motor trifásico del tipo jaula de ardilla. Entre el motor y la red de alimentación se instala un “variador de frecuencia eléctrico” En la succión de la bomba se tiene un vacuómetro (-1 bar a 0 bar) y en la descarga un manómetro (0 a 4 bar). En las siguientes figuras se pueden apreciar las partes internas de la bomba.
de
Las unidades motrices eléctricas existen como un solo elemento rotatorio y alguna forma de control, de manera que puedan cumplir plenamente con la función de operar a velocidad variable. Existen varios métodos para
Figura 11a 1 Rodete y carcasa Unidad motriz de corriente alterna, ca, de voltaje variable. Motores de inducción de rotor devanado con controles de reóstato líquido Motores de inducción de rotor embobinado con controles secundarios de pulsación estática de potencia, tipo resistencia. Motores de inducción de rotor devanado con controles secundarios tipo de contacto. Unidad motriz de frecuencia variable Suministro de potencia para motores de corriente directa, cd.
Figura 11a 2 Difusor
5
Este tipo de motor permite la operación con un dispositivo para variar la frecuencia de la red eléctrica. Los motores monofásicos no son adecuados para esta aplicación.
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Tubería Diámetro nominal 1 ¼ pulgadas 1 pulgada
Diámetro interior real* 38.15 mm 30.2 mm
* Estos datos son importantes para el cálculo de las velocidades de las líneas succión y descarga de la bomba. El fabricante describe, así, las características relevantes de esta bomba:
Figura 11a 6 Bomba completa
INFORMACIÓN TÉCNICA La tabla 11c-1 suministra los datos técnicos de la bomba utilizada en la práctica y la figura 11c 8 muestra la curva de desempeño HQ.
Tabla 11c 1 Datos técnicos Fabricante Tipo Referencia Succión Descarga Diámetro del ojo del impulsor Diámetro exterior del rodete Arista de salida de los álabes (b2) Caudal (Q) Cabeza (H) Hmax Hmin Tmax Voltaje Intensidad Potencia Fases Frecuencia Velocidad IP
Pedrollo Centrífugo AL RED 135 Por un extremo 11/4 pulg. Radial 1 pulg. 37.5 mm
Son recomendadas para bombear agua limpia, sin partículas abrasivas y líquidos químicamente no agresivos con los materiales que constituyen la bomba. Por sus características constructivas son aconsejadas para su empleo en el sector doméstico, agrícola e industrial. Todos los componentes en contacto con el líquido bombeado son en acero inoxidable AISI 304 como garantía de higiene total y de máxima resistencia a la corrosión. La instalación se debe realizar en lugares cerrados o protegidos de la intemperie [5].
135 mm 3 mm 20 – 180 L/min 31 – 16 m 32 m 16 m 90°C
220V /440V 4.2 A/ 2.5A 0.75 kW, 1.0 HP 3 60 Hz 3450 RPM X4 07-13
Nota: Diferencia de elevación entre los manómetros de succión y descarga 0.17 m
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Figura 11C 9. Curva de desempeño de la bomba Pedrollo AL RED 135 [Pedrollo] Tabla 11C 2 Datos de desempeño de las bombas Pedrollo AL RED 135 [Pedrollo]
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Figura 11a 9 . Partes de la bomba Pedrollo AL RED 135 [Pedrollo]
Tabla 11a 3 Listado de Partes de la bomba Al Red 135 [Pedrollo] # Parte 1 2 3 4 5 6 7 8
Descripción Cuerpo de la bomba (SS AISI 304) Tapa (SS AISI 304) Rodete (SS AISI 304) Eje del motor (SS) Sello mecánico Rodamientos 6203 ZZ Condensador (para motor monofásico) Motor eléctrico Clase IE2
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Tabla 11a 3 Listado de Partes de la bomba Al Red [6] # Parte 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
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Descripción Tornillo M8x1.25 Carcasa S.S Tapón con anillo en O Tapón con anillo en O Anillo de sello Difusor Tuerca Rodete Anillo en O (O-Ring) Sello mecánico Tapa del cuerpo de bomba Tapa del ventilador Ventilador Tornillo Escudo
# Parte 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
Descripción Tornillo Soporte del motor Rotor del motor Muelle de compensación Deflector Rodamiento Tornillo Tapa Condensador (motor monofásico) Bornera Tornillo Prensacable Punto de apoyo Estator del motor
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PROCEDIMIENTO 1. Seleccione un banco hidráulico 2. Monte la bomba sobre las guías del banco hidráulico. 3. Monte los demás accesorios sobre el banco hidráulico 4. Cierre la válvula de desagüe del banco y, utilizando la bomba de éste, llene el tanque de medida auxiliar (depósito escalonado) hasta su rebose. Apague la bomba.
13. Utilice un vatímetro o instrumentos que le permitan estimar la potencia eléctrica (Amperímetro, voltímetro). En caso de utilizar un contador de energía, registre el tiempo transcurrido para un consumo de energía definido. 14. Cierre, en forma gradual, la válvula de descarga hasta que la presión de descarga se incremente en 0.2 bar. Tome los valores descritos en el paso anterior. 15. Registre los resultados obtenidos en la tabla 11a 3
5. Cebe la bomba Al Red 135. 6. Abra completamente la válvula de compuerta ubicada en la descarga de la bomba. 7. Ajuste el interruptor del variador por frecuencia en OFF.
Tabla 11a 3 Datos obtenidos Frecuencia [Hz]: P1 P2 P2 In Hg [bar] [psi]
Vol [L]
[RPM]: t Pot7 [kW] [s]
# vueltas8
8. Ajuste la perilla del variador para mínima frecuencia 9. Oprima el pulsador de encendido del “guarda-motor”. En la pantalla del variador debe aparecer la palabra “OFF” 10. Posicione el interruptor del variador en ON. En la pantalla del variador debe aparecer la palabra “SEP”. Girar ligeramente la perilla del variador y verificar que el sentido de giro de la 6 bomba es el correcto .
P1 = Presión del vacuómetro (bomba) P2 = Presión de descarga (bomba)
16. Abra de nuevo la válvula de descarga para que la presión de descarga retorne al valor inicial de 1.5 bar. 17. Ajuste la frecuencia del variador a un valor inferior a 60 Hz, pero superior a 40 Hz. Repita los pasos del 13 al 14.
11. Opere la bomba a la máxima velocidad de giro (F = 60 Hz). 12. Ajuste la válvula de descarga para que la presión de descarga sea de 1.5 bar. Tomar los valores de presión de succión, presión de descarga y caudal, (o volumen y tiempo). 6
Observando el giro del ventilador del motor se puede verificar esto. El motor, visto desde su parte posterior, debe girar en sentido de las manecillas del reloj.
7
Para el caso de emplear un vatímetro. Si se emplea un contador de corriente alterna de disco, el número de vueltas está relacionado con la energía eléctrica suministrada por la red. Para el contador que se tiene disponible, 96 vueltas equivalen a 1 kW-h. Si se toma el tiempo para n vueltas, se obtiene la potencia eléctrica de la red, en kW, mediante una simple regla de tres. Se recomienda, para este caso particular, un número de vueltas constante de 1. 8
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t [s]
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INFORME 1. Haga un esquema del montaje realizado para la práctica, identificando claramente todos los elementos (válvulas, tuberías, mangueras, manómetros, etc) que fueron utilizados. 2. En una misma gráfica, y para ambas velocidades de rotación, trazar las curvas: Cabeza vs Caudal (HQ) 9 Potencia vs Caudal (BkW Q) Eficiencia vs. Caudal ( Q) Es decir, seis curvas en una misma gráfica.
NOTA: Para el cálculo de la eficiencia de la bomba debe anexar al informe la tabla de datos completa del motor eléctrico, de características similares al empleado en la práctica (trifásico, 3500 rpm, etc), que fue seleccionado para tal fin y resaltar con color rojo la información que fue tomada de ésta tabla.
9
Con los valores de potencia eléctrica, se pueden estimar las potencias de accionamiento Pa. Pa = Peléctricamotor . Tanto el factor de potencia como la eficiencia de los motores eléctricos dependen de la carga. El porcentaje de carga se puede estimar con el valor del amperaje consumido y el valor del amperaje de placa del motor (%carga = (I/I placa)*100) o utilizando la relación (%carga = (Pot red/Pot placa)*100. Los valores del factor de potencia y de la eficiencia de motores eléctricos, similares al empleado, pueden consultarse en la literatura técnica (libros o catálogos de fabricantes de motores). Consulte la información suministrada en los anexos para un motor de características similares al empleado (trifásico, 220V A.C, 1.0 HP, 3450 rpm) Para un motor trifásico, si se conocen los da tos de intensidad de corriente y voltaje, la potencia eléctrica se calcula así: P elec [kW ]
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3 x V x I x cos
1000
3. Compare la curva Cabeza vs Caudal (HQ) obtenida a la frecuencia de 60 Hz con la curva suministrada por el fabricante.
4. En una nueva gráfica, trace las curvas H vs Q correspondientes a las dos velocidades de rotación. Con base en la curva para 60 Hz, y aplicando las leyes de afinidad, haga la predicción de la curva H vs Q para la velocidad de rotación inferior. Se deben hacer los cálculos pertinentes. Construya esta nueva curva con color rojo. (son tres curvas en una sola gráfica) 5. Compare la curva obtenida en la práctica a una frecuencia menor de 60 Hz con la curva obtenida a partir de la predicción (ver numeral anterior). ¿Se cumplen las leyes de afinidad?
REFERENCIAS [1] McNAUGHTON, Kenneth et al. Bombas: Selección, Uso y Mantenimiento. México : McGraw-Hill, 1990. 373 p. [2] MOTT, Robert. Mecánica de Fluidos. 6a ed. México: Prentice Hall, 2006. 628 p. [3] KARASSIK, Igor et al. Manual de Bombas. Colombia : McGraw-Hill, 1983. 1176 p. [4] KARASSIK, Igor y CARTER, Roy. Bombas Centrífugas: Selección, Operación y Mantenimiento. México : CECSA, 1983. [5] http://www.pedrollo.com/ [6] WHITE, Frank. Mecánica de Fluidos. España: Editorial McGraw-Hill. 1983