BOMBAS CENTRIFUGAS LANCHEROS, Juan, MOSQUERA, José y TOUS, Alberto Universidad del Atlántico Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química Profesor: Ing. Crisóstomo Peralta Asignatura: Mecánica de fluidos I Fecha: lunes, 17 de Diciembre de 2007 RESUMEN
la prácti práctica ca de labora laborator torio io Bombas Bombas Centrí Centrífug fugas, as, cuyo cuyo objeti objetivo vo era el manejo manejo prác prácti tico co de los los conc concep epto toss rel relac acio iona nado doss con con el func funcio iona nami mien ento to de bomb bombas as centrífugas y el análisis de sus comportamientos. Este trabajo se realizó en un solo banco que contaba de un tanque para agua de almacenamiento, una bomba centrífuga accionada por un motor de velocidad variable, el cual es controlado por un rectificador de corriente (transformadores de corriente); un dinamómetro para conocer la estabilidad del motor (torque). Además consta de dos medidores de presión en la succión y en la descarga y un contador contador de flujo. También También se contó con un tacómetro tacómetro para la medición de las velocidades en el eje del motor, y con un cronómetro para la medición del tiempo de bombeo de un volumen volumen de agua. agua. Se puso entonces entonces a arrancar arrancar el equipo, equipo, y se realizaron diferentes corridas para seis lecturas en el transformador variando la rata de flujo flujo con la válvula válvula de descarga.
INTRODUCCIÓN Pued Puede e deci decirse rse que que la ma mayo yorí ría a de los los proc proces esos os en la indu indust stri ria a química incluyen el transporte de líquido en de todos los tipos, y haci hacia a cual cualqu quie ierr siti sitio o a trav través és de cier cierto toss equi equipo poss y disp dispos osit itiv ivos os empleados para suministrarle la energía mecánica necesaria para realizar un trabajo.
El medio edio má máss co comú mún n de co comu muni nica carr ener energí gía a es me medi dian ante te un mecanismo de desplazamiento positivo o de una acción centrifuga suministrada por fuerzas externas. En general se utilizan bombas para elevar la presión del fluido, subir el fluido desde un depósito a un dest destin ino o que que es está tá a ma mayo yorr altu altura ra,, incr increm emen enta tarr la ca carg rga a de velocidad y suplir cualquier perdida de energía que se de en el sist siste ema debi debido do a la fric fricci ción ón y ac acce ceso sori rios os;; es por por es esto to que que la clasi lasifi fica caci ción ón ma mass aju ajustad stada a a sus sus co cond ndic iciiones ones de ope operaci ración ón depend dependen en de la forma como como transfier transfieren en el fluido fluido en su interio interiorr desde la succión hasta la descarga. Sin embargo de las diferentes clases de bombas, la bomba centrifuga es la mas utilizada a nivel industrial industrial por su sencill sencillez, ez, bajo costo costo y maneja maneja mas cantidad cantidad de líquido.
OBJETIVOS •
Manejar en forma práctica los conceptos relacionados con el funcionamiento de una bomba centrifuga
•
Elaborar las curvas características de una bomba centrifuga e interpretar sus resultados.
i) DISC DISCUS USIÓ IÓN N TEÓR TEÓRIC ICA A
bomba centrífug centrífuga a es un tipo de bomba hidráulica Una bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio llamado rodete en energía cinética y potencial requeridas. Aunque la fuerza centrífuga producida depende tanto de la velocidad en la periferia del impulsor como de la densidad del líquido, la energía que se apli aplica ca por por unid unidad ad de masa del del líqu líquid ido o es inde indepe pend ndie ient nte e 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 pie-lb/lb de líquido) es la misma para cualquier líquido sin que importe su densidad. Por tanto, la carga o energía de la bomba en pie-lb/lb se debe expresar en pies o en metros y es por eso por lo que se denomina genéricamente como "altura".
BOMBAS CENTRÍFUGAS
Una bomba centrífuga consiste en un rodete que produce una carga de presión por la rotación del mismo dentro de una cubierta. Las diferentes clases de bombas se definen de acuerdo con el diseño del rodete, el que puede ser para flujo radial o axial.
Tipo Radial Este rodete envía por una fuerza centrífuga, el flujo del fluido en dirección radial hacia la periferia de aquel. La carga de velocidad es convertida a carga de presión en la descarga de la bomba. Por lo general, los alabes (aletas) de estos rodetes están curvados hacia atrás. El rodete radial ha sido el tipo más comúnmente usado.
Flujo axial o tipo hélice
Casi toda la carga producida por este rodete es debida a la acción de empuje de las aletas. El fluido entra y sale del rodete en dirección axial o casi axial.
Flujo mixto La carga se desarrolla con un rodete delgado, en parte por fuerza centrífuga y en parte por el empuje de las aletas. Esto se consigue construyendo aletas de curva doble o en forma de hélice, de tal forma que la descarga es una combinación de flujo axial y radial. CLASES DE BOMBAS. Las bombas centrífugas pueden ser de dos tipos: el horizontal y el vertical.
Horizontal: La bomba primera tiene un propulsor vertical conectado a un eje horizontal. La bomba centrifuga horizontal es la más usada, cuesta menos, es fácil de instalar y es más accesible para su inspección y mantenimiento, sin embargo, requiere mayor espacio que la bomba de tipo vertical.
Vertical: La bomba de tipo vertical consta de un propulsor horizontal conectado a un eje vertical. Tanto las verticales como las horizontales succionan agua dentro de sus propulsores, por lo que deben ser instaladas a sólo unos cuatro metros sobre la superficie del agua. Existen varias formas de clasificar las bombas centrifugas y entre ellas se tienen las siguientes:
Clasificación según el tipo de impulsor Impulsor abierto:
En esta clase de impulsor las paletas están
unidas directamente al núcleo del impulsor sin ningún plato en los extremos. Su uso está limitado a bombas muy pequeñas, pero se
puede manejar cualquier líquido y además inspeccionarlo es muy sencillo.
Impulsor semi-abierto: Su construcción varía en que está colocado un plato en el lado opuesto de la entrada del líquido y por ende está más reforzada que el impulsor. Tienen la función de disminuir la presión en la parte posterior del impulsor y la entrada de materiales extraños se alojan en la parte posterior del mismo.
Impulsor cerrado: Este impulsor se caracteriza porque además del plato posterior, lo rodea una corona circular en la parte anterior del impulsor. Esta corona es unida también a las paletas y posee una abertura por donde el líquido ingresa al impulsor. Este es el impulsor más utilizado en las bombas centrífugas por su rendimiento, que es superior a los dos anteriores.
Debe ser
utilizado en líquidos que no tienen sólidos en suspensión.
Simple succión: Las bombas de simple succión admiten agua solo por un lado del impulsor.
Doble succión: Las de doble succión lo hacen por ambos lados. Las bombas de doble succión funcionan como si existieran dos impulsores, uno en contra posición del otro y esto elimina el problema de empuje axial. Otra ventaja es la seguridad con la que trabajan frente a la cavitación, ya que el área de admisión del agua es superior a las de las bombas de simple succión. Clasificación según del número de impulsores empleados
Bombas de una fase: La bomba de una sola fase es aquella en la que la carga o altura manométrica total es proporcional por un único impulsor.
Bombas de múltiples fases: Alcanza su altura manométrica o carga con dos o más impulsores, actuando en serie en una misma
carcasa y un único eje, es por esto que las bombas de múltiples fases son utilizadas en cargas manométricas muy altas. Clasificación según la trayectoria del líquido en el impulsor
Bombas de flujo radial: En este tipo de bomba el líquido penetra al impulsor en dirección paralela al eje de la bomba y sale en dirección perpendicular al eje
del
impulsor.
Las cargas
manométricas a manejar son las altas.
Bombas de flujo axial: Aquí el líquido penetra axialmente en el impulsor y su salida es en la misma dirección; son utilizadas para cargas manométricas bajas.
Bombas de flujo mixto: El flujo penetra axialmente en el impulsor y sale en una dirección intermedia entre radial y axial; las cargas manométricas manejadas son medias. Rendimiento de las Bombas . Cuando un líquido fluye a través de
una bomba, sólo parte de la energía comunicada por el eje del impulsor es transferida el fluido. Existe fricción en los cojinetes y juntas, no todo el líquido que atraviesa la bomba recibe de forma efectiva la acción del impulsor, y existe una pérdida de energía importante debido a la fricción del fluido. Ésta pérdida tiene varias componentes, incluyendo las pérdidas por choque a la entrada del impulsor, la fricción por el paso del fluido a través del espacio existente entre las palas o álabes y las pérdidas de alturas al salir el fluido del impulsor. El rendimiento de una bomba es bastante sensible a las condiciones bajo las cuales esté operando. El rendimiento γ de una bomba viene dado por:
ii) ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓ La
experiencia consistió en el análisis y determinación de las
curvas características de una bomba centrífuga. Reactivos: Agua a temperatura ambiente. Metodología: Para operar el equipo, se inició abriendo la válvula de succión y descarga de la bomba. Se llenó el tanque de alimentación y se cerró la válvula de descarga de la bomba. Se calibró la balanza del dinamómetro para la medición del torque del motor. Posteriormente se suministró corriente al motor de la bomba girando los transformadores de forma simultánea, hasta que se obtuvo la lectura correspondiente a una velocidad de rotación
determinada. Lentamente se abrió la válvula de descarga y se permitió la estabilización del equipo. Luego de esto, se inició la experiencia. Se ubicaron los transformadores en una lectura de 90. Se cerró totalmente la válvula de descarga de la bomba y se anotó la lectura del manómetro de descarga. Se abrió luego la válvula completamente, y se anotó la lectura del manómetro. Con el tacómetro, se midió igualmente la velocidad del motor (en rpm), teniendo en cuenta que esta sería la velocidad de referencia y que no podía variar más del 12%. En la válvula de descarga se varió la tasa de flujo
para seis
corridas, registrando en cada variación: velocidad del motor ajustada a la velocidad de referencia, volumen (en L) y tiempo (en s) para un determinado recorrido del puntero en la escala. También la presión en la descarga y el torque (en lb x ft). Esto se hizo para cinco lecturas en el transformador. Al finalizar con la última lectura, se cerró la válvula de descarga de la bomba, y se giraron las dos perillas de los transformadores, colocándolas en 0.
Datos obtenidos:
CORRI DA 1 2 3 4 5
LECTURA EN EL TRANSFORMADOR: 70 VEL MOTOR VOL t (s) Ps PD (RPM) (L) (PSI) (PSI) 2000 5 13,0 0 10,5 8 2000 5 13,8 0 11 3 2000 5 15,5 0 11,5 5 2000 5 18,3 0 12 7 2000 5 24,7 0 12,5
TORQUE (lb*ft) 0,34375 0,3125 0,2812 0,2812 0,2812
6
2000
CORRID A 1 2 3 4 5 6
5
1 44,3 2
0
13
LECTURA EN EL TRANSFORMADOR: 80 VEL MOTOR VOL t (s) Ps PD (RPM) (L) (PSI) (PSI) 2067 5 12,48 0 13,5 2067 5 13,56 0 14 2067 5 15,81 0 14,5 2067 5 19,63 0 15 2067 5 28,9 0 15,5 2067 5 91,88 0 16
0,2812
TORQUE (lb*ft) 0,3125 0,4062 0,375 0,375 0,375 0,375
Aplicando la ecuación de Bernoulli entre la corriente de succión y de descarga, y despreciando los términos de diferencia de altura, de velocidad y pérdidas por fricción, obtenemos: Ha = (PD – PS) / γ Agua @ 86°F, γ = 62,14 lb / ft3. La conversión que usamos para pasar de PSI a lb/ft2 fue 1 PSI = 144 lb/ft2 Para Pasar de Lb*ft*rev/s a hp, realizamos los siguientes pasos: 1 hp 1 min rev × 2π min 1rev 60 550 lbft / s
lb × ft ×
Para la eficiencia de la bomba se dividió HHP entre BHP.
Tabla 1. Resultados LECTURA EN EL TRANSFORMADOR: 70
VEL(RP n M) VOL (ft3) 0,176553 1 2000 672 0,176553 2 2000 672 0,176553 3 2000 672 0,176553 5 2000 672 0,176553 6 2000 672
t Ps (s) (PSI) 13,0 8 0 13,8 3 0 15,5 5 0 24,7 1 0 44,3 2 0
VEL(RP n M) VOL (ft3) 0,176553 1 2067 672 0,176553 2 2067 672 0,176553 3 2067 672 0,176553 4 2067 672 6 2067 0,176553
t Ps (s) (PSI) 13,0 8 0 13,8 3 0 15,5 5 0 18,3 7 0 44,3 0
PD (lb/ft2) 1512 1584 1656 1800 1872
TOR(lb *ft)
Q (gpm) (Ha)( ft) 6,060596 24,33215 0,34375 244 32 5,731930 25,49082 0,3125 504 716 5,097916 26,64950 0,2812 326 113 3,208118 28,96684 0,2812 125 905 1,788641 30,12552 0,2812 671 301
N (1/s) 209,4395 102 209,4395 102 209,4395 102 209,4395 102 209,4395 102
HHP (hp) 0,037107 194 0,036766 058 0,034185 663 0,023383 732 0,013558 766
BHP (hp) 0,130899 694 0,118999 722 0,107080 71 0,107080 71 0,107080 71
η 0,283478 08 0,308959 19 0,319251 37 0,218374 83 0,126621 93
Tabla 2. Resultados LECTURA EN EL TRANSFORMADOR: 80
672
2
PD (lb/ft2) 1944 2016 2088 2160 2304
TOR(lb *ft)
Q (gpm) 6,060596 0,34375 244 5,731930 0,3125 504 5,097916 0,2812 326 4,315329 0,2812 28 0,2812 1,788641
671
(Ha)( ft) 31,28419 697 32,44287 094 33,60154 49 34,76021 886 37,07756
N (1/s) 216,4557 338 216,4557 338 216,4557 338 216,4557 338 216,4557
HHP (hp) 0,047709 249 0,046793 164 0,043103 662 0,037744 933 0,016687
BHP (hp) 0,135284 834 0,122986 212 0,110667 913 0,110667 913 0,110667
η 0,352657 78 0,380474 88 0,389486 53 0,341064 83 0,150790
678
338
712
913
88
672
2
671
678
GRAFICOS
Para el transformador de 70
338
712
913
88
GRAFICOS
Para el transformador de 70
Para el transformador de 80
PREGUNTAS
1. Defina: Columna estática en la succión, en la descarga y total en un sistema de bombeo.
Carga estática La carga estática es la distancia vertical, expresada en metros, entre el origen de la succión y el punto de alimentación considerado como el más desfavorable, ya sea por su altura, su lejanía, o por ambos. Esta carga está formada por la suma algebraica de la carga estática de descarga, más la carga estática de descarga, o altura estática de succión.
Carga estática de descarga Es la distancia vertical entre el centro geométrico del impulsor de la bomba y el nivel más alto que alcanza el líquido bombeado en la tubería donde descarga, expresada en metros de columna de agua.
Carga, o altura estática de succión Es la distancia vertical, expresada en metros, entre el fondo de la cisterna y el eje de la bomba, se le denomina “Carga estática de succión”, si el fondo esta arriba del eje de la bomba, y “Altura estática de succión” si el fondo está abajo del eje de la bomba.
2.
Defina: Columna dinámica en la succión, en la descarga y total en un sistema de bombeo.
Columna o carga dinámica en la succión (hs ): En bombas centrífugas es la suma algebraica de la carga estática de succión, la
carga de velocidad y las pérdidas por fricción y entrada en la tubería de succión, en unidades de longitud (m); se obtiene a partir de: hs = hes + hvs + hfs Donde,
hes es la carga estática de succión
hvs
es
la
carga
de
velocidad y, hfs las pérdidas por fricción en la tubería de succión En las bombas rotatorias y reciprocantes, este término es la presión hidráulica total arriba de la presión atmosférica en la admisión de la bomba, y es la diferencia entre la carga estática de succión y la carga de fricción en la succión, expresada en kg/cm2 o su equivalente.
Columna o carga dinámica en la descarga (hd ): Es la suma de la carga estática de descarga, la carga de velocidad y fricción en la tubería de descarga, en unidades de longitud (m); se obtiene: hd = hed + hvd + hfd donde, hed es la carga estática de descarga
hvd
es
la
carga
de
velocidad, hfd las pérdidas por fricción en la tubería de descarga. Columna o carga dinámica total (H) : Es el incremento de energía por
unidad de peso del fluido impartido al mismo por la bomba. Es, por tanto, la diferencia algebraica de la carga dinámica de descarga y la carga dinámica de succión, en unidades de longitud (m) de columna de líquido. Su ecuación es la siguiente:
H = hd - hs
3. ¿En qué consiste el fenómeno de la cavitación en el bombeo de líquidos?
La cavitación se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un cierto valor
mínimo admisible. Esta baja que sufre la presión es debida a los efectos dinámicos de un líquido al escurrir, siguiendo fronteras curvas o alrededor de cuerpos sumergidos. El fenómeno consiste en un cambio rápido y explosivo de fase líquida a vapor. Si el liquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, éste hierve y forma burbujas.
Estas
burbujas son transportadas por el líquido hasta llegar a una región de mayor presión, donde el vapor regresa al estado líquido de manera súbita aplastándose bruscamente las burbujas. Este fenómeno se llama CAVITACIÓN
4.
Defina: Columna neta de succión positiva requerida y disponible.
CSPN – Capacidad Esta es otra característica de una bomba centrífuga, la cual es muy importante y siempre se da con las curvas de operación de la bomba, relacionándola con la capacidad. Esta información nos da el valor de la CSPNR o de la bomba el cual puede tomarse como referencia para determinar la CSPNA o del sistema para una operación adecuada.
5. ¿Para qué y cómo se efectúa un cebado en una bomba? Presente un ejemplo. Cebado de una bomba
Este proceso consiste en llenar de agua la tubería de succión y la carcaza de la bomba, con el propósito de provocar la succión del agua; evitando que queden bolsas de aire en su interior. El llenado con agua se realiza, a través de despiche o directamente a través del chupador. En las bombas denominadas autocebantes, este proceso no es necesario.
- Sistema Volumétricos: Son aquellos en los que la bomba auxiliar de cebado es del tipo volumétrico, (Bombas de pistones) es decir son aquellas que en cada rotación mueven un volumen de liquido. Los sistemas más representativos en el mercado son El sistema Trokomat y el sistema Automatic de las bombas Rosembauer. La ventaja de este sistema es que no necesitamos un elevado régimen motor para producir el vacío, es decir a ralentí se consigue realizar el cebado aunque es evidente que si aceleramos lo conseguiremos realizaren menos tiempo.
Sistema Trokomat Es el montado en las bombas Ziegler. Aparte de la ventaja mencionada, presenta otra y es la de ser totalmente automático con lo que no hace falta que el operador le preste ninguna atención. El sistema trokomat es controlado solo por la presión de agua en la bomba de pistones y no necesita fluidos auxiliares. Funciona a bajas revoluciones. Se trata de dos pistones accionados a través de un eje por una excéntrica y presionados contra la excéntrica por sendos muelles. Funciona pues como dos bombas aspirantes impelentes conectadas entre la toma de
aspiración y el exterior (salida de aire). Primer tiempo: Cuando la excéntrica presiona el pistón este se mueve provocando un doble efecto (encima y debajo del pistón) a) una sobrepresión por encima del pistón y la salida de aire por encima ya que el diafragma de salida de gas-aire se encuentra sobre el pistón y mientras este se desplaza se mantiene cerrado, empujado el aire hacia el exterior por las lumbreras de salida b) un vacío en la toma de aspiración de la bomba, y la posterior abertura del diafragma de entrada y el paso de gas-aire al cilindro en este momento el pistón se encuentra pegado a la tapa de salida y el muelle totalmente comprimido. Segundo tiempo: Ahora la excéntrica se aleja de la varilla que empuja el pistón y permite que el muelle lo empuje hacia abajo, abriéndose el diafragma que hay sobre el mismo y llenándose la cámara cilíndrica que va quedando encima del pistón con el gas-aire que se encontraba capturado en el primer tiempo y que no puede escapar hacia la toma de aspiración por el diafragma que le cierra el paso, pero que si puede pasar a través del diafragma que hay sobre el pistón. Estos dos tiempos se suceden hasta que no queda aire en la aspiración y se empieza a inundar todo de agua. Llegando un momento en que la excéntrica empuja el pistón a tope quedando la cámara cilíndrica debajo del mismo llena de agua y la varilla de empuje del pistón separada temporalmente de la excéntrica girando esta en vacío, dado que el agua es un fluido incompresible y que el diafragma que hay sobre el pistón se encuentra parcialmente cerrado al estar pegado a la tapadera del trokomat,
El modo de operación es mostrado en el gráfico de la pagina siguiente: El color aparillo corresponde al aire que es expulsado durante el primer tiempo (parte de encima del pistón), el naranja al aire que es succionado durante el mismo primer tiempo. También podemos observar como queda desconectado
iii)CONCLUSIONES Una de las principales conclusiones que podemos mencionar sobre esta experiencia, es que después de cierto tiempo de uso, los componentes internos de las bombas centrifugas se desgastan con el paso del tiempo. En el equipo inicial se incluyen anillos de ajustes para cubrir los espacios entre el impulsor y la carcasa para mantener los valores óptimos. Con el desgaste de los anillos, los claros se agrandan y el rendimiento de la bomba disminuye. El operar la bomba en puntos alejados del punto de eficiencia óptima somete a cargas más altas a los rodamientos, sellos y anillos contra el desgaste, y reduce la vida de la bomba. Todo estos factores han producido un grave deterioro de este equipo por lo cual solo se tomaron dos mediciones en la lectura del transformador,
el grupo de trabajo se siente insatisfecho en lo que respecta a las condiciones del equipo, a pesar de que los resultados obtenidos obedecen el comportamiento señalado en la literatura; nos atrevemos a recomendar un mejor mantenimiento de los equipos de laboratorio o mejor aún el reemplazo de alguno de estos, como lo es la bomba centrifuga.
iv)REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS i)
MOTT, Robert. “Mecánica de fluidos aplicada”. 6 ed. México: Prentice Hall, 2006. 644 p.
ii)
www.wikipedia.org
iii)
PÉREZ, Luis. “Selección fina de bombas”. Universidad de buenos aires, 2005. 21 p.
v)
FRANZINI, Joseph; FINNEMORE, John. MECÁNICA DE FLUIDOS CON APLICACIONES EN
INGENIERIA. 9 ed. McGraw-Hill : México. 503 p.
vi)APÉNDICE
Fotografía A1. Bomba centrifuga
