UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA III MN 464 – A TITULO:
BOMBA DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
ALUMNOS:
García Campos, Oscar Anthony Nina Ochoa, Carlos Javier PROFESOR:
Ing. Páez Apolinario PERIODO ACADÉMICO:
2010 – II
OBJETIVO -
Conoce Conocerr el funciona funcionamie miento nto de una una bomba bomba reciproc reciprocarte arte,, midiendo midiendo los los parámet parámetros ros que que lo caracterizan.
-
Comparar la variación de los valores de Q, n T, WHP, BHP, n V con la altura de la bomba.
FUNDAMENTO TEORICO 1. BOMBAS RECIPROCANTES Las bombas reciprocantes son unidades de desplazamiento positivo descargan una cantidad de líquido durante el movimiento del pistón a través de la distancia de carrera. Sin embargo, no todo el líquido llega necesariamente al tubo de descarga debido a escapes o arreglo de pasos de alivio que puedan evitarlo. Despreciando éstos, el volumen del líquido desplazado en una carrera del pistón o émbolo es igual al producto del área del pistón por la longitud de la carrera.
TIPOS DE BOMBAS RECIPROCANTES Existen básicamente dos tipos de bombas reciprocantes las de acción directa, movidas por vapor y las bombas de potencia. Pero existen muchas modificaciones de los diseños básicos, construidas para servicios específicos en diferentes campos. Algunas se clasifican como bombas rotatorias por los fabricantes, aunque en realidad utilizan el movimiento reciprocante de pistones o émbolos para asegurar la acción de bombeo.
2.1 Bombas de Acción Directa.- En este tipo, una varilla común de pistón conecta un pistón de vapor y uno de líquido. Las bombas de acción directa se construyen, simplex (un pistón de vapor y un pistón de líquido, respectivamente) y duplex (dos pistones de vapor y dos de líquido). Los extremos compuestos y de triple expansión, que fueron usados en alguna época no se fabrican ya como unidades normales. Las bombas de acción directa horizontales simplex, han sido por mucho tiempo muy apreciadas para diferentes servicios, incluyendo alimentación de calderas en presiones de bajas a medianas, manejo de lodos, bombeo de aceite y agua, y muchos otros. Se caracterizan por la facilidad de ajuste de columna, velocidad y capacidad. Tienen buena eficiencia a lo largo de una extensa región de capacidades. Las bombas de émbolo se usan generalmente para presiones más altas que los tipos de pistón. Al igual que todas las bombas reciprocantes, las unidades de acción directa tienen un flujo de descarga pulsante.
Eficiencias Aproximadas % de Bombas de Acción Aplicada Carrera mm....
127
203
254
Bomba de manivela y volante
508
762
1,016
1,270
87
88
90
92
Bomba de pistón
60
70
74
84
86
88
90
Bomba de alta presión
55
64
67
76
78
80
81
2.2 Bombas de Potencia. Estas tienen un cigüeñal movido por una fuente externa – generalmente un motor eléctrico - , banda o cadena. Frecuentemente se usan engranes entre el motor y el cigüeñal, para reducir la velocidad de salida del elemento motor. Cuando se mueve a velocidad constante, las bombas de potencia proporcionan un gasto casi constante para una amplia variación de columna, y tienen buena eficiencia.
Eficiencias Aproximadas % de Bombas de Acción Aplicada Hp de agua .....
3
5
10
20
30
50
75
100 200
Eficiencia, %
55
65
72
77
80
83
85
86
El extremo líquido, que puede ser del tipo de pistón o émbolo, desarrollará una presión elevada cuando se cierra la válvula de descarga. Por esta razón, es práctica común el proporcionar una válvula de alivio para descarga, con objeto de proteger la bomba y su tubería. Las bombas de acción directa, se detienen cuando la fuerza total en el pistón del agua iguala a la del pistón de vapor; las bombas de potencia desarrollan una presión muy elevada antes de detenerse. La presión de parado es varias veces la presión de descarga normal de las bombas de potencia. Las bombas de potencia se encuentran particularmente bien adaptadas para servicios de alta presión y tienen algunos usos en la alimentación de calderas, bombeo en líneas de tuberías, proceso de petróleos y aplicaciones similares.
Las bombas de potencia del tipo manivela volante en los primeros diseños eran generalmente movidas por vapor. En el presente, sin embargo es más común el movimiento por motor eléctrico o de combustión interna debido a que este arreglada
88
una instalación más económica y compacta y requiere menos mantenimiento. Las bombas de potencia del tipo émbolo de alta presión puede ser horizontales o verticales. Generalmente se usan para prensas hidráulicas, procesos de petróleos y servicios similares. Sin embargo, hay otros diseños que también encuentran uso para los mismos servicios. Muestra una bomba de potencia del tipo de pistón. Las bombas de potencia de alta presión son generalmente verticales pero también se construyen unidades horizontales.
2.3 Bombas del tipo Potencia de Baja Capacidad. Estas unidades se conocen también como bombas de capacidad variable, volumen controlado y de “proporción”. Su uso principal es para controlar el flujo de pequeñas cantidades de líquido para alimentar calderas, equipos de proceso y unidades similares. Como tales ocupan un lugar muy importante en muchas operaciones industriales en todo tipo de planta. La capacidad de estas bombas puede variarse cambiando la longitud de la carrera.
2.4 Bombas del Tipo de Diafragma. La bomba combinada de diafragma y pistón en generalmente se usa sólo para capacidades pequeñas. Las bombas de diafragma se usan para gastos elevados de líquidos, ya sea claros o conteniendo sólidos. También son apropiados para pulpas gruesas, drenajes, lodos, soluciones ácidas y alcalinas, así como mezclas de agua con sólidos que puedan ocasionar erosión. Un diafragma de material flexible no metálico, puede soportar mejor la acción corrosiva o erosiva que las partes metálicas de algunas bombas reciprocantes.
2.5 Otros Diseños. Existen también un gran número de otros tipos de bombas reciprocantes, diseñadas para servicios especializados. Muchas se usan en sistemas hidráulicos industriales, de lubricación, de manejo de químicos, y similares. Su capacidad y presión de descarga varían con la aplicación para la que se haya diseñado la unidad.
3.
CARACTERISTICAS DE LAS BOMBAS RECIPROCANTES
El flujo de descarga de las bombas centrífugas y de la mayor parte de las bombas rotatorias es continua. Pero en las bombas reciprocantes el flujo pulsa, dependiendo del carácter de la pulsación del tipo de bomba y de que ésta tenga o no una cámara de colchón.
3.1 Bombas de Acción Directa Simplex. Las bombas de vapor que operan a velocidad normal tienen una curva de descarga como la que se muestra en la figura 1. el flujo es constante hasta el final de la carrera, en donde el pistón del líquido se detiene y regresa. Sin una cámara de colchón, el flujo teóricamente cesa cuando el pistón se detiene. Sin embargo, una cámara de aire evita esto, dando las características mostradas. Las bombas de acción directa duplex de vapor tienen generalmente la descarga de un cilindro desplazada media carrera con respecto a la del otro. Los dos se juntan para dar la línea continua en la figura 2 que tiene el doble de depresiones que la bomba simple, pero los puntos de las depresiones nunca se encuentran más abajo que los de una bomba de acción directa simplex.
3.2 Bombas de potencia. Las curvas de descarga para las bombas de potencia toman la forma de ondas senoidales, debido a que los pistones o émbolos están movidos por manivela. El flujo de descarga no cambia en forma tan pronunciada como en las bombas de acción directa. Las bombas de potencia simplex de doble acción, correspondientes a las curvas de la figura 3, tiene un gasto máximo de 60 por ciento mayor que su gasto medio. El flujo mínimo se encuentra 100 por ciento abajo del flujo medio. Esto significa que en algún punto durante cada cielo de bombas, el flujo de la bomba es cero. Pero el flujo de la línea de descarga puede ser prácticamente constante, dependiendo del diseño de la tubería y de la cantidad y clase de capacidad de colchón que se usa.
La bomba duplex, de doble acción, cuya curva está mostrada en la figura 4 tiene un gasto máximo de 26.7 por ciento arriba de su flujo medio; el mínimo es 21.6 por ciento abajo del medio. Luego, siempre hay flujo en el tubo de descarga cuando la bomba está operando. Una bomba triplex de acción simple contribuye aún más a emparejar la curva de descarga. El gasto máximo para esta unidad es de 6.64 por ciento arriba del medio; el mínimo es de 18.4 por ciento abajo. Con cualquier
bomba reciprocante, la diferencia entre la descarga máxima y la media se almacena en la cámara de colchón hasta que la descarga es menor que la media.
Las bombas de potencia quintuplex y sextuplax empalman aún más la curva de descarga, hasta dar una característica prácticamente constante de flujo de descarga. Sin embargo, la mejor forma de jugar la característica de una curva de descarga es la aplicación misma. Las pulsaciones amplias pueden ser de importancia secundaria en una instalación, mientras que en otra pueden ser una consideración importante.
El diseño de bombas, ángulo de manivela, así como otros muchos factores, cambiarán el flujo de una unidad con respecto a otra. Los valores dados, sin embargo, representan las prácticas corrientes y la variación de un fabricante a otro no es generalmente muy grande.
3.3 Bombas de Baja Capacidad del Tipo de Potencia. Hasta cierto punto, estas unidades se asemejan a sus contrapartes más grandes por lo que respecta a la curva de descarga. Pero el hecho de que la mayor parte de estas unidades sean bombas de capacidad variable, altera notablemente la apariencia de las curvas. La fig. siguiente muestra una serie de curvas de descarga para unidades de capacidad variable típicas.
Una bomba simplex de acción simple tiene un flujo pulsante como se muestra en la fig. 6 sin descarga durante la carrera de succión. Cuando la capacidad disminuye, la curva del tipo senoidal se aplana, como se muestra. Los diseños duplex de acción simple proporcionan el doble de líquido y tienen curvas de descarga similares a las unidades simplex. Fig. 7. Cuando un pistón cesa de entregar líquido el otro comienza si los pistones están desplazados 180 grados según muestra la figura. De manera que no hay períodos prolongados en los que el flujo de la bomba sea cero. Cuando se desea un gasto constante sin pulsaciones, puede obtenerse una curva de descarga como la mostrada en la fig. 8 usando una bomba de diseño especial para este servicio. Nótese como la curva es perfectamente plana, independientemente de que la bomba trabaje a media carrera, carrera completa, o cualquier otro punto de ajuste.
Nuevamente, es importante recordar que la curva de descarga de una bomba reciprocante no nos da una medida de su eficiencia, sino simplemente una representación gráfica de lo que sucede en la descarga de la bomba. La medida final de la importancia de la forma de la curva, es el requisito de trabajo para el flujo del líquido en la línea.
Capacidad y velocidad. Igual que otras bombas, las bombas reciprocantes no succionan los líquidos. Reducen solamente la presión en la cámara de succión y la presión externa, generalmente la atmosférica, empuja el líquido en la bomba. Para cualquier bomba con una línea de succión de tamaño dado, la capacidad o velocidad máxima viene fijada por la columna de succión neta positiva (cspn)
Conforme aumenta la velocidad en una bomba reciprocante, aumenta su capacidad, siempre y cuando no haya nada que interfiera con el gasto hacia adentro o hacia fuera de la bomba.
En años recientes las velocidades de las bombas de potencia han aumentado notablemente para ciertas aplicaciones específicas. Sin embargo, aún se encuentran en la etapa experimental algunas unidades de altas velocidades para aplicaciones generales en la industria. Parece ser que pasará algún tiempo antes de que los problemas relacionados a válvulas de lñiquidos, etc, sean satisfactoriamente resueltos.
Viscosidad del Líquido y Temperatura del Agua. Ambas variables afectan la velocidad y capacidad máxima de la bomba.
Viscosidad
del
líquido SSU... Reducción
velocidad % ...
1 000
2 000
3000
4000
5000
0
4
11
20
30
30
35
21
27
38
52
66
93
121
0
9
18
25
34
34
38
del
agua, ºC... Reducción
500
de
velocidad % ... Temperatura
250
de
Así, conforme la viscosidad del líquido cambia de 250 a 5000 SSU la velocidad de la bomba disminuye de la normal hasta un 65 por ciento de su valor. Conforme la temperatura aumenta de 21 a 121ºC, se tiene una disminución de velocidad de 62 por ciento de la normal. Los semisólidos, tales como lodos de ácidos, melazas y jarabes, se manejan en bombas reciprocantes diseñadas para operar sin válvula de succión. Pueden usarse válvulas del tipo de disco o de bala para la descarga de estas unidades. Cuando se considera una bomba determinada, debe comprobarse con el fabricante para determinar los efectos exactos de viscosidad, cspm, temperatura y diseño sobre la capacidad. Las generalizaciones que se han dado antes, aun cuando son guías útiles, no deben usarse como fuente única. La Tabla anterior condensa los factores de corrección de velocidad para viscosidad y temperatura, recomendados por el Instituto de Hidráulica. Para usarlos, simplemente multipliquese la velocidad normal por el porcentaje de reducción, expresado decimalmente.
Empaques de Pistón y varilla. Cualquier material que se use para controlar el escape de líquido entre una parte movible y otra estacionaria en una bomba se llama en términos generales, empaque. Siendo flexible y generalmente de material suave, es fácil de substituir. La caja simple de empaque, la varilla pistón tiene varios anillos de empaque de sección cuadrada. En varillas de pistón pequeñas, se tiene una sola tuerca alrededor del
empaque, en lugar de los tornillos mostrados. Las bombas de émbolo grandes, para manejar líquidos a altas temperaturas, también están provistas de émbolos huecos a través de los cuales circula continuamente el agua de enfriamiento.
Válvulas de Extremo Líquido. Como regla general, en las bombas de baja presión se usan válvulas de disco con protuberancias usadas como guías. Para presiones moderadas, estas guías son del tipo de ala (con caras planas biseladas) y para altas presiones, se usan válvulas con guías de ala y caras biseladas. Sin embargo, influye mucho el líquido que se maneja como diseño de la bomba, etc.
La válvula de disco plano tiene costillas inclinada en su asiento para dirigir el líquido, de manera que gira ligeramente el disco en cada carrera. Esto iguala el desgaste del disco. Las válvulas de bala se usan frecuentemente cuando se desea una abertura libre para succión del líquido y descarga.
Las jaulas guían las balas durante su
elevación y caída. Los asientos son circulares y completamente abiertos. La válvula con ala de guía para líquidos corrosivos y espesos, puede proveerse con inserciones de hule renovable para las alas.
La válvula de baja presión y la de alta presión para líquidos gruesos, son de acero de aleación con inserciones sintéticas para servicios ordinarios. Cuando se encuentran líquidos corrosivos se usan materiales especiales. Las válvulas anulares de doble puerto son muy populares en bombas de grande potencia.
Medios para variar la Capacidad. Existe una infinidad de medios para variar la capacidad de las bombas reciprocantes pequeñas. Anteriormente se han descrito algunos de ellos. Sin embargo, para bombas de grande potencias, no existen tantas variaciones. Quizás se debe a que hay menos variaciones en los diseños de bombas reciprocantes.
El descargador de la válvula de succión da una reducción rápida pero gradual en el líquido entregado desde gasto máximo a gasto cero, en no más de una revolución de la bomba. El aumento se hace en la misma forma, y es accionado neumáticamente.
Clasificaciones de Bomba de Potencia. El Instituto de Hidráulica clasifica las bombas de potencia como simples, duplex, triplex, múltiplex, horizontales y verticales. Se usan cuatro clasificaciones de materiales en el Instituto, para las bombas de potencia. Las bombas con aditamentos de bronce (símbolo BF) están formadas de varillas de pistón de bronce (excepto el extremo del empaque del émbolo) émbolos o pistones de hierro para líquido, válvulas para líquido de bronce o hule, asientos de válvulas de líquido, protectores o resortes de bronce, cilindros de hierro o acero para líquido. Las bombas del empaque de pistón BF incluyen cilindros para líquido encamisados en bronce, incluyen también cuellos y empaques del émbolo encamisados en bronce. Loas bombas totalmente con aditamentos de bronce (símbolos FBF) constan de varillas de pistones en bronce (excepto los extremos empacados del émbolo) pistones de líquido o émbolos de bronce, válvulas de bronce o hule para el líquido, asientos de válvulas del líquido, protectores y resortes de bronce, cilindros de hierro o acero para líquido. Las bombas FBF de pistón, incluyen cilindros recubiertos de bronce para líquido, mientras que las bombas FBF de embolo, requieren empaques y cuellos del émbolo, encamisados en bronce. Las bombas resistentes al ácido (símbolo AR) tienen todas aquellas partes que entran en contacto con el líquido, hechas de materiales resistentes a la corrosión, con propiedades adecuadas para la aplicación específica. Las bombas todas de bronce (símbolo AB) tienen todas aquellas partes que entran en contacto directo con el líquido hechas en bronce. Las bombas todas de hierro (símbolo AI) tienen todas las partes que entran en contacto con el líquido hechas de material ferroso.
PROCEDIMIENTO -
Prender el motor asegurándose de que las válvulas de succión y descarga abierto, en esta posición se mide el caudal máximo que genera la bomba.
-
Variar la presión de descarga de 0 a 150 pies de H 2O, y medir la presión de succión en pulgada de mercurio.
-
Medir las alturas en el tubo de Reynold, las revoluciones en un minuto para obtener las RPM.
-
Tabular los datos y graficar los datos pedidos.
EQUIPOS UTILIZADOS •
Manometros
•
Motor electrico (de alta y baja)
•
Bomba de desplzamiento positivo
•
Tablero con variador de velocidad
SIMBOLOGIA H : altura neta [pies H2O] Q : flujo volumétrico [pies 3/h] Qb : flujo volumétrico de barrido [pies 3/h] W : fuerza del dinamómetro [kg.] L : longitud del brazo [pulg] N : revoluciones por minutos [RPM] ρ
: densidad del H2O [kg/m3]
m : flujo másico [lb/h]
FORMULAS EMPLEADAS 1. Potencia al suministrada al agua
WHP
=
QH 60 x33000
;
donde: Q : flujo de agua [lb/h] H : altura total [pies]
2. Potencia entregada al eje de la bomba
BHP
=
W . L.2. N ; 33000 x12
donde: W:fuerza media a la balanza del resorte [lb] L : Brazo de palanca : 7.002 pulg. N : RPM
3. eficiencia de la bomba y transmisión WHP
η
4.
=
x100%
BHP
volumen barrido Considerando una bomaba de doble efecto.
π 7 π 7 13 N 2 x x − x x x60 4 4 4 16 8 6 2
2
[pies3/h]
1728
VolBarrido = 0.0438 x N (pie3/h) N : RPM 5. eficiencia volumétrica volumen de agua η v x100 volumen barrido =
TABLA DE DATOS Y CÁLCULO N = 400 RPM P1(bar) 0 0 0 0
P2(bar) 1 2 3 4
V(voltios) 83 85 87 90
A(amp) 4.6 5.1 5.9 7.1
∆Hg(cm) 110 106 84 68
Vol(m^3) 0.02074 0.02074 0.02074 0.02074
t(seg) 18.28 19.02 19.15 21.84
N(RPM) 400 399 401 400
COSΦ 0.8 0.8 0.8 0.8
V(voltios) 90 92 94 99
A(amp) 4.6 5.1 5.8 7.5
∆Hg(cm) 132 108 94 72
Vol(m^3) 0.02074 0.02074 0.02074 0.02074
t(seg) 18.28 19.02 19.15 21.84
N(RPM) 450 451 452 448
COSΦ 0.8 0.8 0.8 0.8
N = 450 RPM P1(bar) 0 0 0 0
P2(bar) 1 2 3 4
N = 500 RPM P1(bar) 0 0 0 0
P2(bar) 1 2 3 4
V(voltios) 100 102 104 107
A(amp) 4.6 5 5.9 7
∆Hg(cm) 164 144 114 98
Vol(m^3) 0.02074 0.02074 0.02074 0.02074
t(seg) 18.28 19.02 19.15 21.84
N(RPM) 450 451 452 448
COSΦ 0.8 0.8 0.8 0.8
V(voltios) 117 119 121 126
A(amp) 4.6 5.1 5.7 7.9
∆Hg(cm) 212 184 164 128
Vol(m^3) 0.02074 0.02074 0.02074 0.02074
t(seg) 18.28 19.02 19.15 21.84
N(RPM) 450 451 452 448
COSΦ 0.8 0.8 0.8 0.8
N = 600 RPM P1(bar) 0 0 0 0
P2(bar) 1 2 3 4
CALCULOS
N = 400 RPM Pot Hidraulica 113.457 218.086 324.909 379.853
P(bar) 1 2 3 4
Q(m^3/s) 0.001135 0.001090 0.001083 0.000950
Pot Electrica 529.038 600.675 711.249 885.424
Q(m^3/s) 0.001135 0.001090 0.001083 0.000950
Pot Electrica 573.655 650.143 755.451 1028.838
Q(m^3/s) 0.001135 0.001090 0.001083 0.000950
Pot Electrica 637.395 706.677 850.229 1037.845
n(%) 21.4 36.3 45.7 42.9
∆Hg(m) 1.1 1.06 0.84 0.68
Q teorico 0.0012 0.0012 0.0012 0.0012
n volumetrica 0.95 0.91 0.90 0.79
N = 450 RPM Pot Hidraulica 113.457 218.086 324.909 379.853
P(bar) 1 2 3 4
n(%) 19.8 33.5 43.0 36.9
∆Hg(m) 1.32 1.08 0.94 0.72
Q teorico 0.0012 0.0012 0.0012 0.0012
n volumetrica 0.95 0.91 0.90 0.79
Q teorico 0.0012 0.0012 0.0012 0.0012
n volumetrica 0.95 0.91 0.90 0.79
N = 500 RPM Pot Hidraulica 113.457 218.086 324.909 379.853
P(bar) 1 2 3 4
n(%) 17.8 30.9 38.2 36.6
∆Hg(m) 1.64 1.44 1.14 0.98
N = 600 RPM Pot Hidraulica 113.457 218.086 324.909 379.853
P(bar) 1 2 3 4
Q(m^3/s) 0.001135 0.001090 0.001083 0.000950
Pot Electrica 745.752 840.945 955.676 1379.267
GRAFICAS N = 400 RPM
n(%) 15.2 25.9 34.0 27.5
∆Hg(m) 2.12 1.84 1.64 1.28
Q teorico 0.0012 0.0012 0.0012 0.0012
n volumetrica 0.95 0.91 0.90 0.79
N = 450 RPM
N = 500 RPM
N = 600 RPM
CONCLUSIONES
•
La altura de aspiración en la bomba es producto de la depresión que existe en la boca de aspiración con relación a la presión sobre la superficie libre del líquido que aspira.
Existen pérdidas volumétricas o de caudal, las mismas que ocurren por las pérdidas de fluido en la máquina, estas pueden deberse a fugas debidas a los espacios entre partes estáticas y rotativas . •
El gasto volumétrico en ambos casos disminuye paulatinamente conforme la altura de la bomba aumenta, esto claro hasta un valor límite a partir del cual la tendencia se invierte, en el momento de diseñar una posible instalación se debe tener en cuenta estos detalles para poder efectuar una decisión acertada.
•
La eficiencia y la potencia varían de manera inversa, puesto que mientras la eficiencia es alta para alturas pequeñas, la potencia es relativamente baja en las mismas condiciones.
