UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA MECÁNICA III (MN464 A) Bombas en Serie y en Paralelo Prof.:
Ing. Pinto Espinoza, Hernán
Alumnos:
Garay Salazar, Wilmer Paulet Otori Rojas, Marcos Victor Torres Marca, Paul César
Fecha:
Martes 30 de setiembre del 2014
20110079E 19974033G 19990120H
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
Contenido I.
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................... 2
II.
OBJETIVO ............................................................................................................................................ 3
III.
FUNDAMENTO TEÓRICO ................................................................................................................... 3 3 3.1. BOMBAS CENTRÍFUGAS 3.1.1. Definición ........................................................ ................................................................. ............ 3 3.1.2. Clasificación ............................................................... ................................................................. . 3 3.1.3. Principio de Funcionamiento .......................................................................................................... 4 3.2. RELACIONES DE POTENCIA, CAUDAL, ALTURA Y EFICIENCIA 4 3.2.1. Potencia Útil de la Bomba .............................................................................................................. 4 3.3. CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LAS BOMBAS 4 3.4. ASOCIACIÓN O COMBINACIÓN DE BOMBAS 6 3.4.1. Bombas en Serie .......................................................................................................................... 6 3.4.2. Bombas en Paralelo ............................................................... ....................................................... 6
IV.
EQUIPOS Y MATERIALES UTILIZADOS .............................................................................................. 7
V.
PROCEDIMIENTO ................................................................................................................................. 7
VI.
CÁLCULOS Y RESULTADOS ............................................................................................................. 11
VI. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………………………………………………………………………...…….17
VIII. BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………………………………………..……….18
1
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
I.
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
INTRODUCCIÓN Una bomba hidráulica es una máquina generadora que transforma la energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud. Dentro de las aplicaciones en la industria, veremos que las bombas pueden asociarse de acuerdo al uso y requerimientos de cada necesidad. Las maneras en que podemos asociar dos o más bombas hidráulicas son en serie y en paralelo, que son la materia del presente laboratorio. Para ello, determinaremos experimentalmente las curvas características de dos bombas hidráulicas centrífugas (curva Presión vs. Caudal) de manera individual y luego asociadas en serie y en paralelo.
2
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
II.
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
OBJETIVO El ensayo tiene como objetivo fundamental, observar el comportamiento de dos bombas centrífugas instaladas en un caso en paralelo, y en otro, en serie. Además se deben comparar con sus curvas de predicción teórica.
III.
FUNDAMENTO TEÓRICO 3.1.
BOMBAS CENTRÍFUGAS 3.1.1. Definición
Las Bombas centrífugas también llamadas Rotodinámicas, son siempre rotativas y son un tipo de bomba de bomba hidráulica que transforma la energía la energía mecánica de un impulsor. El fluido El fluido entra por el centro del rodete, que dispone de unos álabes unos álabes para conducir el fluido, y por efecto de la fuerza la fuerza centrífuga es impulsado hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba, que por el contorno su forma lo conduce hacia las tuberías de salida o hacia el siguiente rodete se basa en la ecuación de Euler y su elemento transmisor de energía se denomina impulsor rotatorio llamado rodete llamado rodete en en energía cinética y potencial requeridas y es este elemento el que comunica energía al fluido en forma de energía cinética.
3.1.2. Clasificación
Las Bombas Centrífugas se pueden clasificar de diferentes maneras:
Por la dirección del flujo en: radial, axial y mixto. Por la posición del eje de rotación o flecha en: Horizontales, Verticales e Inclinados. Por el diseño de la coraza (forma) en: Voluta y las deTurbina. Por el diseño de la mecánico coraza en: Axialmente Bipartidas y las Radialmente Bipartidas. Por la forma de succión en: Sencilla y Doble.
3
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
Aunque la fuerza centrífuga producida depende tanto de la velocidad en la periferia del impulsor como de la densidad la densidad del líquido, la energía que se aplica por unidad de masa de masa del líquido es independiente de la densidad del líquido. Por tanto, en una bomba dada que funcione a cierta velocidad y que maneje un volumen definido de líquido, la energía que se aplica y transfiere al líquido, (en pascales, (en pascales, Pa, Pa, metros de columna de agua m.c.a. o pie-lb/lb de líquido) es la misma para cualquier líquido sin que importe su densidad. Constituyen no menos del 80% de la producción mundial de bombas, porque es la más adecuada para mover más cantidad de líquido que la bomba de desplazamiento positivo. 3.1.3. Principio de Funcionamiento
Las bombas están dotadas de un elemento móvil: el rotor, o rodete, o impulsor. Es el elemento que transfiere la energía que proporciona el motor de accionamiento al fluido. Esto sólo se puede lograr por un intercambio de energía mecánica, y en consecuencia, el fluido aumenta su energía cinética y por ende su velocidad. Además, por el hecho de ser un elemento centrífugo, aparece un aumento de presión por el centrifugado que se lleva a cabo al circular el fluido desde el centro hasta la periferia. Una partícula que ingresa y toma contacto con las paletas en 1 comenzará a desplazarse, idealmente, contorneando la paleta. Como al mismo tiempo que se va separando del eje el impulsor rota, la partícula a cada instante aumenta su radio y se mueve en el sentido de la rotación, por lo que su trayectoria, vista desde el exterior, resultará una espiral como la ilustrada en punteado, y saldrá luego por 2.
3.2.
RELACIONES DE POTENCIA, CAUDAL, ALTURA Y EFICIENCIA 3.2.1. Potencia Útil de la Bomba
Es el peso de líquido bombeado en un periodo de tiempo, multiplicado por la carga desarrollada por la bomba.
3.3.
CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LAS BOMBAS A diferencia de las bombas de desplazamiento positivo, una bomba centrífuga que opera a velocidad constante puede descargar cualquier velocidad desde un cero a un valor máximo, que depende del tamaño de la bomba, diseño y condiciones de succión. La carga total generada por la bomba, la potencia requerida para moverla y la eficiencia resultante varia con 4
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
la capacidad. Las interrelaciones de capacidad, carga, potencia, eficiencia, se denomina característica de la bomba. En el siguiente gráfico vemos un gráfico típico de las curvas características de una bomba centrífuga.
En las abscisas se indica el CAUDAL y en las ordenadas la ALTURA o PRESIÓN.
Las curvas indicadas con 7,25’’, 8’’, 9’’, 10’’ y 11’’ son precisamente las curvas de
ALTURA vs. CAUDAL correspondientes a un tamaño de impelente, cuyo diámetro en esta caso se indica en pulgadas.
5
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
3.4.
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
ASOCIACIÓN O COMBINACIÓN DE BOMBAS 3.4.1. Bombas en Serie
Es necesario alcanzar una mayor altura con igual caudal, el cual permanece constante.
CURVA CARACTERÍSTICA DE BOMBAS QUE OPERAN EN SERIE
3.4.2. Bombas en Paralelo
Es necesario lograr un mayor caudal manteniendo constante la presión o altura.
CURVA CARACTERÍSTICAS DE BOMBAS QUE OPERAN EN PARALELO
6
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
IV.
EQUIPOS Y MATERIALES UTILIZADOS
V.
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
Electrobomba s/p. Electrobomba Hidrostal – 1HP Banco de tuberías con manómetros y válvulas. Manómetro Bourdon – Berkeley de 0 – 100 PSI Tanque de aforo. Cronómetro.
PROCEDIMIENTO Seguiremos los siguientes pasos: 1.
Verificación del estado y funcionamiento de todas las llaves y válvulas antes del encendido de las bombas.
7
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
2.
Verificación del estado y funcionamiento de las bombas centrífugas.
3.
Verificación del estado y funcionamiento de los instrumentos de medición: manómetros en las líneas y cronómetro.
4.
Cierre y apertura de las llaves de manera que sólo funcionen las líneas de succión y descarga de la Bomba A.
5.
Regulación de la presión de salida mediante el cierre/apertura de la válvula de compuerta ubicada inmediatamente después del manómetro en la línea.
8
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
6.
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
Para cada punto, se tomarán los siguientes datos experimentales:
Presión a la descarga de la bomba.
Tiempo de llenado el depósito, cuyo tubo de medición tiene marcas cada 10 litros. Este será el volumen llenado en el tiempo t, con lo cual obtendremos el caudal. Se tendrá cuidado de abrir las válvulas de purga o descarga para evitar que el agua se rebalse.
9
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
7.
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
Se repetirán los pasos 4 al 6 para que funcionen las bombas de la siguiente manera:
La bomba A individualmente.
La bomba B individualmente.
La bomba A en serie con la bomba B.
La bomba A en paralelo con la bomba B.
Solo Bomba A Solo Bomba B Bombas A y B en Serie Bombas A B en Paralelo
10
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
VI.
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
CÁLCULOS Y RESULTADOS Se tomaron los siguientes datos en el laboratorio: a) Lectura de la presión de manómetro en PSI. b) Volumen de agua en el tanque de aforo en lts. c) Tiempo de captación del volumen de agua en s. Con los datos conseguidos, se llenarán las tablas y se obtendrán los siguientes puntos: 6.1.
Altura (o Presión) La lectura de los manómetros del banco de tuberías es en psi. Para trabajar y obtener la altura H en metros (de columna de agua), necesitamos hacer una conversión de unidades:
Caudal Las lecturas de tiempo se hacen cada vez que se completa un volumen de 10 litros. Para obtener un caudal en m3/s tenemos entonces:
Potencia de la Bomba o Potencia Útil
Como ya tenemos la altura H en metros y el caudal Q en metros cúbicos por segundo, recordamos que el peso específico del agua es:
⁄
11
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
Tabla de cálculos y resultados
6.2.
Con los datos obtenidos remplazados en las ecuaciones presentadas y ordenándolos en una hoja de Excel, tenemos los siguientes resultados. BOMBA A o t n u P
1 2 3 4 5 6
Presión
Altura
Tiempo
Caudal
P
H
t
Q
Potencia de la Bomba Pu
10/t
γ.Q.H
(x 10-3) m3/s 0.0000 0.5556 0.7143 0.9091 1.0225 1.0225 1.0811 1.0811
kW 0.0000 0.0959 0.1085 0.1129 0.0988 0.0746
psi 32 25 22 18 14 10
m H2O 22.521 17.594 15.483 12.668 9.853 7.038
s -18 14 11 9.78 9.25 BOMBA B
o t n u P
1 2 3 4 5 6 7
Presión
Altura
Tiempo
Caudal
P
H
t
Q
Potencia de la Bomba Pu
10/t
γ.Q.H
(x 10-3) m3/s 0.00000 0.000 00 0.27248 0.55494 0.76161 0.91491 1.09649 1.21655
kW 0.0000 0.0827 0.0827 0.1455 0.1682 0.1682 0.1642 0.1642 0.1514 0.1175
psi 50 44 38 32 26 20 14
m H2O 35.189 30.966 26.743 22.521 18.298 14.075 9.853
s -18.35 9.01 13.13 10.93 9.12 8.22
BOMBAS EN SERIE o t n u P
1 2 3 4 5 6 7 8
Presión
Altura
Tiempo
Caudal
P
H
t
Q
Potencia de la Bomba Pu
10/t
γ.Q.H
(x 10-3) m3/s 0.0000 0.2917 0.5556 0.6964 0.8591 1.0331 1.0661 1.3106 1.3106
kW 0.0000 0.1450 0.2454 0.2691 0.2846 0.2852 0.2355 0.1266
psi 80 72 64 56 48 40 32 14
m H2O 56.302 50.672 45.041 39.411 33.781 28.151 22.521 9.853
s -17.14 9 7.18 5.82 4.84 9.38 7.63
12
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
BOMBAS EN PARALELO Presión
Altura
Tiempo
Caudal
P
H
t
Q
Potencia de la Bomba Pu
10/t
γ.Q.H
(x 10-3) m3/s 0.0000 0.3717 0.5618 1.1628 1.5432 1.5432
kW 0.0000 0.1026 0.1357 0.2408 0.2769 0.2343
o t n u P
1 2 3 4 5 6
psi 44 40 35 30 26 22
6.3.
m H2O 30.966 28.151 24.632 21.113 18.298 15.483
s -13.45 8.9 4.3 6.48 6.48
Gráficos 1.
Altura vs. Caudal (H vs. Q), individuales para la bomba A y la bomba B. En este gráfico se presentan las curvas de ambas bombas, con una ecuación aproximada para un ajuste cuadrático de curvas de cada una de ellas.
13
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
2.
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
Altura vs. Caudal (H vs. Q), Q ), para la bomba A y la l a bomba B en SERIE. Aquí se muestra el cuadro adicional realizado con las ecuaciones de ajuste de curvas individuales, las cuales hacen posible la creación de la curva teórica en SERIE. En los gráficos se presentan la curva tomada de los ensayos de laboratorio y la curva teórica, observando que prácticamente ambas se superponen, verificándose en este caso la teoría. BOMBAS EN SERIE TEÓRICO
o t n u P
1 2 3 4 5 6
Caudal Q
Altura H
Altura H
Altura H
Altura H
Altura H
Altura H
10/t
Bomba A
Bomba A
Bomba B
Bomba B
serie teórica
serie teórica
(x 10-3) m3/s
psi
m H2O
psi
m H2O
psi
m H2O
0.000 0.556 0.714 0.909 1.022 1.081
31.900 25.656 22.177 16.877 13.269 11.255
22.426 18.036 15.590 11.865 9.328 7.912
49.730 37.861 33.163 26.602 22.380 20.083
34.960 26.617 23.314 18.701 15.733 14.118
81.630 63.518 55.340 43.480 35.650 31.338
57.386 44.653 38.904 30.566 25.062 22.030
14
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
3.
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
Altura vs. Caudal (H vs. Q), para la bomba A y la bomba B en PARALELO. Para la creación de la curva teórica, se realizó un artificio, pues se usó el punto H máximo de la bomba A, y se evaluó en el ajuste de curva de la bomba B, obteniéndose un punto adicional, posteriormente se sumó este caudal obtenido a dos puntos adicionales de la bomba A y se hizo el nuevo ajuste de curva. Al carecer de una ecuación, se presentan a continuación ambas curvas para un análisis visual. BOMBAS EN PARALELO
o t n u P
1 2 3 4 5 6 7
Presión
Altura
Tiempo
Caudal
P
H
t
Q
Potencia de la Bomba Pu
10/t
γ.Q.H
(x 10-3) m3/s 0.00000 0.27248 0.55494 0.76161 0.75000 1.46429 1.83108
kW 0.0000 0.0827 0.1455 0.1682
psi 50 44 38 32
m H2O 35.189 30.966 26.743 22.521 22.426 15.483 7.038
s -18.35 9.01 13.13
15
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
6.4.
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
Análisis de los cálculos, resultados y gráficos
1. En términos prácticos, la curva real H-Q de las bombas puestas en serie, coincide con la curva teórica. 2. Si bien es cierto la curva real H-Q de las bombas puestas en paralelo no coinciden con la curva teórica (pues hay una ligera variación), existe una clara tendencia a cumplirse con la teoría. 3. Ambas curvas reales empiezan por debajo de las teóricas, esto posiblemente es debido a que existen pérdidas en las tuberías.
16
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
VII.
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 7.1 CONCLUSIONES 1.
Se cumplieron los objetivos de determinar experimentalmente las curvas características de dos bombas hidráulicas centrífugas de manera individual y asociadas en serie y paralelo.
2.
Se comprobó que se cumple el comportamiento esperado en las curvas H vs. Q.
3.
No se pudo determinar con exactitud el comportamiento de las curvas H-Q en la puesta en PARALELO, debido a que no hay una ecuación que se ajuste exactamente a la tendencia de la curva.
7.2 OBSERVACIONES OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES RECOMENDACIONES 1.
Durante la realización del experimento, se determinó un caudal que es cero (Q=0) cuando la válvula está completamente cerrada, para poder determinar la máxima altura o presión de las bombas, tanto de manera individual y asociadas en serie y paralelo.
2.
Se debe tratar de tomar la mayor cantidad de datos regulando la presión, desde la mínima a la máxima en intervalos más pequeños. Así, al obtener más puntos, podremos tener más datos con los cuales aproximar las curvas, minimizando el error.
3.
Podemos ver que el error más significativo proviene de la medición de caudales, la cual es muy inexacta. El depósito no es lo suficientemente grande para caudales altos. Además, la lectura con el cronómetro c ronómetro depende mucho del error humano.
4.
Para determinar las curvas de eficiencia con precisión, sería necesario probar cada bomba con impelentes de diferentes diámetros para obtener más puntos de igual eficiencia.
17
Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
VIII.
Laboratorio de Ingeniería Mecánica III
BIBLIOGRAFÍA:
-Manual del Laboratorio de Ingeniería Mecánica III -Mecánica de Fluidos Autores: Merle C. Potter y David C. Wiggert -Turbomáquinas I Autor: M. Salvador G. Ed. Ciencias.
18
