Gabriela Castro Fernando Otero
LABORATORIO DE TURBOMÁQUINAS PRACTICA #2: BOMBA CENTRÍFUGA CUESTIONARIO 1. Una bomba bomba ¿Qué ¿Qué tipo tipo de energía transforma? “Una bomba o equipo de bombeo recibe energía mecánica, y la convierte en
energía que un fluido adquiere en forma de presión, posición y velo cidad” Según Zubicaray (2000) 2. Mencione un ejemplo de bombeo de fluido en el que se adicione adicione energía de presión y otro en el que se aplique energía de velocidad. “Un oleoducto es una bomba de adición de energía donde la diferencia de
presión hace que el fluido venza las pérdidas de presión. Y una bomba que adiciona energía en forma de velocidad, es donde existe presión y altura iguales”
Zubicaray (2000), 3. ¿Qué se entiende por “succión negativa ”? Succión negativa es el proceso de succión que realiza la bomba, cuando el sumidero o fuente de donde vamos a extraer nuestro fluido, posee dicho fluido a un nivel que se encuentra por debajo de la línea del eje de la bomba 4. Explique el fenómeno denominado “pre-rotación ” y escriba que efectos causa. El fenómeno de pre-rotación depende de un flujo a través del impulsador y después de él es causado por una caída del gradiente de energía abajo del nivel que existe con flujo nulo siendo el gradiente de energía, el líquido que fluye por la trayectoria de mínima resistencia entonces al entrar a los canales del impulsador adquiere este fenómeno. 5. Defina: alabes curvados curvados hacia adelante, alabes curvados hacia atrás y alabes radiales. Alabes curvados hacia adelante: Tienen T ienen un ángulo β2, es decir el ángulo entre la velocidad periférica del impulsor y la velocidad relativa del flujo, mayor a 90 grados. Alabes curvados curvados hacia atrás: atrás: Tienen un ángulo ángulo β2, menor a 90 grados. Alabes radiales: radiales: Tienen un ángulo ángulo β2, igual a 90 grados.
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6. ¿Qué sucede al invertir el sentido de giro de la bomba? El cambio del sentido de giro en una bomba hidráulica nos permite invertir la posición de entrada y la salida del aceite de la misma, cambia la dirección en la que fluye la presión del aceite. 7. ¿Cómo varía la curva característica de la bomba centrífuga con el diámetro del rotor?
Imagen 1. Curva característica de una bomba centrifuga para agua, carcasa básica con tres tamaños de rotor Fuente: White W. (p. 722) “Fluid mechanics fourth edition”
Como podemos apreciar una bomba más grande, produce exactamente el mismo caudal pero solo con la mitad de potencia y la mitad de altura manométrica. 8. Con un esquema trace la trayectoria relativa y absoluta de una partícula de fluido en un rodete de una bomba en movimiento.
Figura2 Esquema de una Bomba
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9. Realice la deducción de la ecuación de Euler para bombas centrífugas. Si aplicamos el principio de momento angular a la masa de líquido que circula atravesó del impulsor, tendremos que el cambio de momento hidráulico está dado por el cambio de momento de masa que entra y sale del impulsor. Por lo tanto en un cierto tiempo dt que entra un volumen dV:
Cuyo impulso a la entrada y la salida será:
Además de que el momento hidráulico a la entrada y la salida será:
Por lo tanto el par generado en el impulsor por unidad de tiempo será:
( )
Como sabemos el término dV a dt es el caudal, además si multiplicamos esta ecuación por la velocidad angular w tendremos:
( )
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Reemplazando por la ecuación de potencia hidráulica, la velocidad periférica del impulsor y la componente de la velocidad absoluta del fluido tenemos:
( ) Por lo tanto:
( )
Si realizamos la suposición de considerar despreciables las perdidas en el impulsor y el punto donde se mide la carga dinámica, nuestra potencia a la salida será:
( )
Finalmente simplificando variables iguales, nuestra ecuación de Euler o ecuación de carga teórica será:
( )
10. ¿Cuál es la curva característica más importante para las bombas centrífugas? “La curva característica más importante es aquella que relaciona el caudal Q y la
carga H donde se da a conocer el tipo de bomba a determinada velocidad de rotación del impulsor” (Herramientas)
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Figura 3 Curvas características Fuente: Maquinas y H. [1]
11.
Escriba cuales son las condiciones de rendimiento máximo en una
bomba centrífuga. Que no existan pérdidas o fugas, debido a las holguras entre la carcasa y el rotor. Rendimiento volumétrico. No deben existir perdidas por desprendimiento a la entrada, por fricción en los canales de los alabes y perdidas por recirculación del fluido. Rendimiento hidráulico. No debe haber pérdida de potencia a causa de fricción mecánica en los cojinetes, prensaestopas y otros puntos de contacto de la máquina. Rendimiento mecánico.
12. Cuál es la curva ideal
()
Explique todas las partes de la curva
y
como varia esta con (el) ángulo
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Imagen 3. Curva (H-Q) Fuente: ZUBICARAY V.. “Bombas: Teoría, diseño y aplicaciones
“ Al aplicar la ecuación del sistema de ejes H-Q obtenemos una recta que / de una distancia intersecta al eje de cargas
La pendiente de esta línea depende del ángulo beta es igual a 90° la línea de capacidad-carga es una recta paralela al eje de capacidad con una ordenada de valor He, esto representa cuando se tiene un impulsador con aspas radiales Para beta menor a 90° la carga decrece cuando la capacidad incrementa. Para beta mayor a 90° la carga incrementa con la velocidad.” Zubicaray (2000)
13.- ¿Cuáles son las causas principales que causan la deformación de la curva ideal H=f (Q)? Principalmente la deformación de la curva ideal H=f (Q) es causada por el ángulo beta o ángulo de descarga, es decir cuando dotemos un ángulo beta mayor a 90 grados tenemos que la velocidad absoluta c2 y su componente tangencial cu2 son mayores que u2, así que el líquido se mueve más deprisa que el alabe del impulsor. Pero frecuentemente en la industria tendremos ángulos de descarga dentro de un rango de 25 a 20 grados. En la siguiente figura se puede apreciar cómo afecta beta 2 en la potencia cuando se da una determinada capacidad.
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Imagen 2. Curva de potencia Fuente. Zubicaray V. (2000, p. 59)
14. ¿Qué es velocidad específica? ¿Para qué sirve? “La velocidad especifica se define como
, aquella velocidad en revolución por
ns
minuto, a la cual un impulsor geométricamente similar al impulsor en cuestión, pero pequeño, desarrollaría una carga unitaria a la capacidad unitaria.” Zubicaray
V. (2000) La velocidad específica
se usa como un numero tipo para diseñar las
características de operación en el punto máximo de eficiencia. 15.- ¿Cómo afecta el ángulo del alabe a la salida (beta 2) en la altura de Euler?
Para obtener la máxima carga o máxima altura de Euler en nuestra bomba centrifuga el ángulo beta 2 debe ser lo más pequeño posible, para así lograr que cu2 sea igual a uno, con esto obtendremos la mayor velocidad a la salida.
Además si tenemos un ángulo beta 2 menor a 90 grados, la carga decrece (es decir la altura Euler), cuando la capacidad aumente.
Cuando tengamos un beta 2 mayor a 90 grados la carga empezara a incrementar, a medida que la velocidad aumenta, pero este hecho no se puede cumplir ni en bombas centrifugas ideales debido a que según Zubicaray (2000, p. 54)”ya que el
flujo no puede producirse si se presenta una presión o carga más alta que la que se produce con la válvula cerrada”. Adem ás cuando tenemos beta mayor de 90, la
velocidad absoluta c2 y su componente tangencial cu2 son mayores que u2, así que por lo tanto el líquido se mueve a una velocidad mayor que la del blade.
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16. ¿Qué parámetro define el número de alabes en una bomba centrífuga? Si se examina el flujo que pasa a través de un arreglo de alabe, estos toman el nombre de cascada, se puede controlar de los requisitos del sistema eficaz. Primero el flujo de la cascada, el vector que representa la velocidad del fluido y sufre cambios en direcciones. 17. ¿Qué ventaja presenta la bomba centrífuga sobre las volumétricas?
La bomba centrifuga presenta un intercambio de energía con el fluido mediante una variación de energía cinética mientras que las bombas volumétricas presentan un intercambio de energía con el fluido mediante una variación de presión.
La altura (presión) máxima de una bomba centrifuga depende de la forma del rodete, mientras que una bomba volumétrica depende de la velocidad y el desplazamiento.
Son más utilizadas cuando se requieren menores presiones y gastos más elevados, es decir mayores caudales.
El flujo suministrado por las bombas centrifugas es constante frente al flujo suministrado por las bombas volumétricas,
Requieren menor potencia que las bombas volumétricas.
En las bombas centrifugas el rotor esta mecánicamente y dinámicamente equilibrado, por lo tanto el sistema de un bomba centrifuga estará menos expuesto a vibraciones.
No necesita de una transmisión reductora al conectarse con motores eléctricos de elevado número de revoluciones.
Menor precio.
18. Mencione 3 formas de controlar el caudal de una bomba. Descríbalas. Estrangulación en la impulsión: Se coloca en la tubería de impulsión una llave de paso, generalmente a la bomba que permite obtener un caudal menor, de esta forma regula el caudal, es fácil de Variación de la velocidad: Modificando el caudal de una bomba con la velocidad de rotación del rotor, la regulación de la velocidad es muy fácil de aplicar cuando la bomba esta impulsada por un motor de combustión interna. Cerrando los canales del rotor:
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Al cerrar algunos canales del rotor se obtiene un caudal y alturas menores , asi se puede ahorrar de energía con respecto a la regulación por estrangulación. El cierre solo a la entrada de los canales es algo más desfavorable al respecto a los caudales pero no tan favorable con respecto a la altura. 19. Describa qué es la colina de rendimientos. Son las parábolas que se encuentran en nuestras curvas características a lo largo de las cuales, se presenta un rendimiento manométrico que permanece constante para regímenes semejantes. Además a lo largo de las parábolas de las curvas características para un mismo tipo de rodete se cumple la semejanza geométrica más no la semejanza cinemática. 20. En un sistema de bombeo definir: Carga Estática de descarga: ” Es la distancia vertical entre el eje de la bomba y el punto de entrega libre de líquido ” Zubicaray (2000), Carga Estática de succión: “Es la altura, expresada en metros de líquido de la columna de fluido que actúa sobre la succión (entrad) o descarga ( salida)” Zubicaray (2000),
Carga Estática Total: “es la distancia vertical entre los niveles de succión y descarga.” Zubicaray (2000),
Carga de fricción: “es la columna, en metros, del líquido que se maneja, equivalente y necesaria para vencer la resistencia de las tuberías de succión y descarga y de sus accesorio, varía de acuerdo con la velocidad del líquido, tamaño, tipo y condiciones interiores de las tuberías y naturaleza del líquido que se manej a.” Zubicaray (2000), Carga de Succión :” Es la carga estática de succión menos la carga de fricción total y las pérdidas de admisión más cualquier presión que se encuentre en línea de succión, es una operación negativa y se suma algebraicamente” Zubicaray
(2000),
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Carga de velocidad : “Un líquido que se mueve a cualquier velocidad dentro de un tubo, tiene energía cinética debida de caída necesaria para que un líquido adquiera una velocidad dada.” Zubicaray (2000),
Elevación de succión : “Si la bomba se enc uentra arriba del nivel libre de bombeo, la distancia entre el nivel del líquido a bombera y el eje central de la bomba se llama elevación estática de succión”. Zubicaray (2000),
Carga total :” es la suma de las cargas de elevación de succión y descarga Cuando hay una columna de succión, la columna total de la bomba es la diferencia entre las cargas de succión y descarga.” Zubicaray (2000),
21. ¿Qué es el NPSH? “ El NPSH es la altura neta de succión, es decir es “la carga disponible a la
entrada de la b omba para evitar la cavitación o evaporación de líquido” White F. (2004, p. 736),. 22. ¿Qué es NPSH disponible? “Los fabricantes de bombas prueban cada diseño para determinar el nivel de la
presión de succión que se requiere, con el fin de evitar la cavitación, y reportan los resultados como la carga de succión positiva neta requerida, NPSHr, de la bomba en cada condición de capacidad de operación (flujo volumétrico) y carga total sobre la bomba. Es responsabilidad del diseñador del sistema de bombeo garantizar que la carga de succión neta positiva disponible, NPSHA, esté muy por arriba de la NPSHR. El Am erican National Standards Institute (ANSI) y el Hydraulic Institute (HI) emiten juntos estándares que especifican un margen mínimo de 10% para la NPSHA sobre la NPSHr. Al margen NPSH, M, se le define como M = NPSHa – NPSHr” (Mott, 6ta edición)
23. ¿Qué es NPSH requerido? Suponiendo que tenemos dos puntos A y B, siendo A la entrada y B la salida, el NPSHr es la presión mínima que debe haber a la entrada del rodete, para que el fluido complete su trayecto de A hacia B sin que ocurra cavitación.
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24. ¿De qué depende la elevación estática teórica de succión? “Si la bomba se encuentra abajo del nivel libre de bombero entonces la distancia
entre el nivel libre y el eje central de la bomba se denomina carga estática No se consideran las perdidas por fricción en las tuberías y sus accesorios.” Zubicaray
(2000), 25. ¿Por qué es tan importante el NPSH? El NPSH es muy importante debido que me da un valor de presión que se debe tener para que no se produzca el fenómeno de cavitación, debido a que si se produce este fenómeno, se crearan burbujas alrededor de nuestros alabes y dichas burbujas al explosionar pueden causar una mala circulación de nuestro fluido además de causar deformación en nuestro alabe. 26. ¿Cómo evitar la cavitación en una bomba? ¿Cuál es la parte del rodete de la bomba más propensa a cavitación y por qué? La cavitación no es producto de la bomba, sino de la instalación. Para evitarla, tome estas precauciones: * Refiérase a la hoja de especificaciones e instrucciones de la bomba y respete los límites de la capacidad de succión vertical. * Si fuese posible, elimine la succión colocando la bomba por debajo de la fuente de agua. De otra forma, deberá minimizar la distancia vertical desde la fuente de agua a la bomba. * Piense en la línea de admisión como una línea de drenaje en reversa. * El agua debe fluir con facilidad. * Use un tubo de admisión grande (más grande que el puerto de entrada de la bomba). Esto es evidente cuando la tubería de admisión es larga. (Véase la Tabla del Diámetro del Entubado este sitio en la red. www.dankoffsolar.com). * Evite usar codos de 90°. Use pares de codos de 45° para reducir la fricción. * Seleccione cuidadosamente las mallas o filtros de admisión para reducir la fricción, y asegúrese que sean fáciles de limpiar. La cavitación en nuestras bombas centrífugas producirá efectos indeseados como pueden ser daños en rodetes, vibraciones en el equipo, pérdidas de rendimiento, etc. La detección del fenómeno y su consiguiente corrección evitará, siempre, un coste innecesario sobre el equipo así como el aumento de su fiabilidad y, a la larga, el aumento de la eficiencia del proceso productivo.
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27. ¿Qué es la curva de fricción de un sistema? “Se denomina curva de fricción de un sistema a la gráfica de la carga H en metros versus el gasto Q en litros por segundo.” Zubicaray (2000, p.123)
Si tomamos un punto de dicha gráfica, nos dará las perdidas por fricción del sistema en dicho punto.
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Problemas 1. Se tiene un impulsor de una bomba centrífuga de 10 pulgadas de diámetro de descarga. Está accionado por un motor eléctrico de 2 polos y 60 ciclos. Calcule la velocidad periférica.
(⁄) 2. Un impulsor que gira a 1160 rpm tiene las siguientes características:
a. Ancho del impulsor a la entrada b 1=1 ¼ pulg. b. Ancho del impulsor a la entrada b 1= ¾ pulg. c. Diámetro de Entrada D 1= 7 pulg. d. Diámetro de Salida D2= 15 pulg. e. Ángulos de alabe : 1 = 18°, ��2 = 20° Considérese el área de la sección transversal = ���� . Suponiendo el flujo radial y despreciando el ancho de los alabes, dibujar a escala los triángulos de velocidad y calcular la carga ideal, el caudal que pasa por la bomba y el grado de reacción de la bomba. 3. Un impulsor que gira 3500 rpm tiene un diámetro de descarga de 8,5 pulgadas, el ángulo de alabe a la salida es de 22° y la componente meridional de la velocidad cm 2 es de 12 pies/s. Suponiendo que el flujo de entrada es radial dibuje a escala los triángulos de velocidad y calcular la carga ideal total.
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Bibliografía: ZUBICARAY V. (2000). “Bombas: Teoría, diseño y aplicaciones”, Editorial Limusa. México D.F., México. WHITE F. (2004). “Mecánica de fluidos”, Editorial Mc -Graw-Hill, Madrid, España MOTT R.(2000). “Mecánica de fluidos”, Sexta Edición,
Aguamarket. (13/05/2015). Como evitar la cavitación . 04/11/2015, de Cavitación Sitio web: http://www.aguamarket.com/diccionario/terminos.asp?Id=2642&termino=Como+e vitar+la+cavitacion Mecantech. (28/07/2011). Cavitación en bombas centrifugas . 03/11/2015, de cavitación Sitio web: https://areamecanica.wordpress.com/2011/07/28/ingenieriamecanica-la-cavitacion-en-bombas-centrifugas/ UNAD. (03/11/2015). Bombas centrifugas. 03/11/2015, de Bombas Centrifugas Sitio web: http://datateca.unad.edu.co/contenidos/211618/EXELARNING/leccin_22_bombas _centrifugas.html
