UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA – ENERGÍA ENERGÍA ESCUELA PROFESIONAL DE MECÁNICA
“ING. TÉRMICA E HIDRÁULICA EXPERIMENTAL” TEMA: ENSAYO COMPLETO DE UNA BOMBA CENTRIFUGA
Docente: Ing. Hernán Pinto Espinoza Integrantes: Rondán Chuchon, Jesús Wiler
1327120081
Sánchez Vigilio, Anthony
1317110119
Castro Roca, Gabini Pampini
1327110011
Vargas Meza, Lenin Elmer
1327120214 Bellavista - Callao 2017
INDICE INTRODUCCION ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. 1 1.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................. ........................................................................................ ...................... 2
2.
OBJETIVOS ...................................................................... ............................................................................................................................. ....................................................... 2
3.
4.
5.
2.1.
OBJETIVOS GENERALES ................................................................ ................................................................................................. ................................. 2
2.2.
OBJETIVOS ESPECIFICOS ............................................................... ................................................................................................ ................................. 2
METODOLOGIA.............................................................. ...................................................................................................................... ........................................................ 2 3.1.
PROCEDIMIENTO .............................................................. ........................................................................................................... ............................................. 2
3.2.
TABULACION DE DATOS ............................................................... ................................................................................................ ................................. 3
MATERIALES Y METODOS ......................................................... ...................................................................................................... ............................................. 4 4.1.
ESQUEMA .............................................................. ...................................................................................................................... ........................................................ 4
4.2.
ANALISIS Y METODOLOGIA DE CALCULO ........................................................... ...................................................................... ........... 5
4.3.
TABULACION DE RESULTADOS ................................................................... ...................................................................................... ................... 7
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................................... .............................................................................. .................... 10 5.1.
CONCLUSIONES ................................................................. ........................................................................................................... .......................................... 10
5.2.
RECOMENDACIONES ........................................................ ................................................................................................... ........................................... 11
6.
REFERENCIAS .................................................................. ....................................................................................................................... ..................................................... 11
7.
APENDICE, ANEXO ......................................................... ............................................................................................................... ...................................................... 11 7.1.
TABLAS Y/O GRAFICAS....................................................... GRAFICAS................................................................................................. .......................................... 11
7.2.
MARCO NORMATIVO ................................................................... .................................................................................................. ............................... 14
INTRODUCCION Observando la gran importancia que tienen las bombas centrifugas en la industria por la facilidad de uso y mantenimiento se a puesto gran énfasis en estudiar y analizar el comportamiento que ocurre en el uso de estas. En esta experiencia realizada en el laboratorio de fluidos y maquinas térmicas se estudió el comportamiento de una bomba centrifuga a diferentes velocidades de rotación RPM, para poder determinar las curvas características en cada caso propuesto utilizando los datos extraídos de la experiencia como el caudal, presión de succión, presión de descarga, voltaje e intensidad de corriente. Hay que tener en cuenta que, en este ensayo elemental de una bomba, se mantiene constante las 4 velocidades rotacionales del rotor (N en RPM), para los veinticuatro ensayos (6 ensayos con cada RPM) pues se transmite la potencia en un solo eje, se varía el caudal Q y se obtiene experimentalmente las curvas características.
pág. 1
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Conocer las diferentes curvas características que rigen el comportamiento de una bomba hidráulica las que representan una relación entre los distintos valores del caudal con otros parámetros como la altura manométrica, el rendimiento hidráulico, la potencia requerida y la altura de aspiración, las cuales se encuentran en función del tamaño, diseño y construcción de la bomba.
2. OBJETIVOS 2.1.
OBJETIVOS GENERALES Estudiar y conocer las características y comportamientos de la bomba centrifuga
2.2.
OBJETIVOS ESPECIFICOS -
-
Obtener experimentalmente las curvas características de: H (altura) vs. Q (caudal), Ph (potencia hidráulica) vs. Q (caudal) y Q (caudal) vs. η (eficiencia). A diferentes velocidades de rotación RPM. Determinar la eficiencia optima a diferentes RPM. Interpretar los datos obtenido.
3. METODOLOGIA Se comenzará con abrir la llave del sistema del banco de pruebas con la finalidad de ver las diferentes variaciones de presión, así como el caudal; con estos datos se realizará un análisis y representación del caudal (Q), la potencia útil (P), eficiencia de grupo (n) y la carga dinámica de la bomba(H).
3.1.
PROCEDIMIENTO Para realizar el ensayo y obtener los diferentes datos de ensayo se seguirá el siguiente procedimiento: a) En un punto de carga al cierre (caudal cero), se determina las diferentes alturas manométricas partiendo de una altura máxima con la llave completamente cerrada. b) Para cada número de prueba del ensayo, se registrará el caudal volumétrico en litros por minuto en el caudalímetro. c) Para diferentes regímenes de velocidad de la bomba, calculamos la diferencia de alturas manométricas para cada número de ensayo. Además, debemos medir la altura geodésica entre los puntos de medición de presión, este valor es constante para todos los ensayos. pág. 2
d) En un punto de descarga libre (caudal máximo), el cual es relativo, se determina las diferentes alturas manométricas con una altura nula cuando la llave está completamente abierta. e) En el variador de velocidad, se toma registro de la intensidad de corriente eléctrica (A) y del voltaje eléctrico (V) en corriente directa (DC), el cual consumirá el motor eléctrico para la transmisión de potencia. f) Se realizarán los cálculos correspondientes para encontrar la carga, potencia y eficiencia de la bomba, con ello se representará las curvas características de la bomba.
3.2.
TABULACION DE DATOS En el presente ensayo, se sabe que el material de las tuberías es de Acero comercial, cédula 40, con diámetro de 2” para la tubería de succión y con diámetro de 1 ½” para la tubería de descarga. La altura geodésica “Z2 – Z1” es de 270 mm, según la medida que se realizó en el ensayo.
N 1 2 3 4 5 6
P1(PSI) 0 0 0 0 0 0
2420 RPM P2(PSI) V (Volt) 18.6 148 16.8 149 15 149 12.6 149 9.5 149 6.8 150
A(I) 4.5 5 5.5 6 6.1 6.5
Q(Lts/min) 0 50 100 150 200 240
Tabla 1. Toma de datos durante el ensayo de la bomba centrifuga a 2420 RPM
N 1 2 3 4 5 6
P1(PSI) 0 0 0 0 0 0
2199 RPM P2(PSI) V (Volt) 15.2 133 14 134 12 135 10.4 135 7.8 135 5.4 138
A(I) 4 4.5 5 5 5 5
Q(Lts/min) 0 45 90 135 180 220
Tabla 2. Toma de datos durante el ensayo de la bomba centrifuga a 2199 RPM
N 1 2 3 4 5 6
P1(PSI) 0 0 0 0 0 0
2645 RPM P2(PSI) V (Volt) 22 162 20.8 163 18.6 163 16.2 164 13 164 8.6 165
A(I) 5 6 6 6.5 7 7
Q(Lts/min) 0 50 100 150 200 260
Tabla 3. Toma de datos durante el ensayo de la bomba centrifuga a 2645 RPM
pág. 3
N 1 2 3 4 5 6
P1(PSI) 0 0 0 0 0 0
2823 RPM P2(PSI) V (Volt) 26 178 24 179 22 180 19.4 180 16.8 181 11 181
A(I) 5 5.3 7 8 8 9
Q(Lts/min) 0 50 100 150 200 280
Tabla 4. Toma de datos durante el ensayo de la bomba centrifuga a 2823 RPM
4. MATERIALES Y METODOS 4.1.
ESQUEMA
Fig. 1. Bomba Centrifuga.
Fig. 2. Esquema de la Bomba Centrifuga.
pág. 4
4.2.
ANALISIS Y METODOLOGIA DE CALCULO Ecuación de Bernoulli:
+ + + = + + 2 2
− ) − ( = + 2 + − … … … … 1 Donde:
=∗ = ∗ 4 ∗ = 4 ∗∗ … … … … 2 Donde:
P1: Presión de succión (Pa) P2: Presión de descarga (Pa)
: Peso específico del fluido (N/m ) 3
Q: Caudal (m3/s) V: Velocidad (m/s) Z: Altura (m) H: Altura útil (m) d: Diámetro de la tubería (m)
Teniendo en cuenta que las tuberías son de acero con cédula 40 de diámetro nominal de 2” para la línea de succión y 1 ½” para la línea de descarga. Con esta información, podemos hallar el diámetro interno de dichas tuberías (Anexo 1). Para determinar la potencia hidráulica, hacemos uso de la siguiente ecuación:
Donde:
∗ …………3 = ∗1000
PH: Potencia hidráulica (kW) pág. 5
Teniendo en cuenta el esquema a continuación:
Fig. 3. Esquema del grupo Motor Bomba.
= ∗ ∗ …………4 = = = = ∗ Considerando:
= 85% ≈ 100%
Donde:
: Eficiencia del Grupo Motor-Bomba : Eficiencia de la bomba : Eficiencia de transmisión del torque : Eficiencia del motor eléctrico
P: Potencia al Eje antes del acoplamiento (W) PX: Potencia al Eje después del acoplamiento(W) PE: Potencia Eléctrica (W) V: Voltaje (Volt) I: Amperaje (Amp)
pág. 6
4.3.
TABULACION DE RESULTADOS
2420 RPM N
V suc (m/s)
Vdes (m/s)
H (m)
PH (W)
1 2 3 4 5 6
0 0 13.3430887 0 0.38495559 0.63428235 12.0909033 98.8431347 0.76991118 1.26856469 10.8646225 177.636578 1.15486678 1.90284704 9.24253362 226.673137 1.53982237 2.53712938 7.1543513 233.947288 1.84778684 3.04455526 5.34782877 209.848801
PE (w) 666 745 819.5 894 908.9 975
nGr (%)
nBomba (%)
0 0 13.2675349 15.6088645 21.6762145 25.5014288 25.354937 29.8293377 25.739607 30.2818905 21.522954 25.3211223
Tabla 5. Resultado de los cálculos de la bomba centrifuga a 2 420 RPM 2199 RPM H (m)
PH (W)
nBomba (%)
V suc (m/s) V desc (m/s)
1 2
0 0.34646003
0 10.9533843 0 0.57085411 10.1204506 74.4612149
532 603
0 0 12.3484602 14.5276002
3 4 5
0.69292007 1.0393801 1.38584013
1.14170822 1.71256233 2.28341644
128.70057 169.386704 174.229257
675 675 675
19.066751 22.4314718 25.0943265 29.522737 25.8117417 30.366755
6
1.6938046
2.79084232 4.31616854 155.252582
690
22.5003743 26.4710286
8.74621608 7.67410595 5.92012425
PE (W)
nGr (%)
N
Tabla 6. Resultado de los cálculos de la bomba centrifuga a 2199 RPM 2645 RPM H (m)
PH (W)
PE (W)
nGr (%)
nBomba (%)
N
V suc (m/s) V desc (m/s)
1 2
0 0 15.7327931 0 0.38495559 0.634282345 14.9023202 121.826468
810 978
0 0 12.4566941 14.6549342
3
0.76991118 1.268564691 13.3948977 219.006578
978
22.3933106 26.3450713
4
1.15486678 1.902847036 11.7728088
288.728137
1066
27.0851911
31.8649307
5 6
1.53982237 2.537129381 9.61434111 2.00176908 3.298268196 6.66477542
314.388954 283.319603
1148 1155
27.3857974 24.5298357
32.2185852 28.8586303
Tabla 7. Resultado de los cálculos de la bomba centrifuga a 2645 RPM 2823 RPM V desc (m/s) 0 0.63428235 1.26856469
H (m)
PH (W)
PE (W)
nGr (%)
nBomba (%)
18.54421 17.1514538 15.7846021
0 140.213135 258.078244
890 948.7 1260
0 14.7795019 20.4824003
0 17.3876493 24.0969416
1.15486678 1.90284704 14.0219424 343.888137 1.53982237 2.53712938 12.2851872 401.725621 2.15575131 3.55198113 8.40757932 384.898981
1440 1448 1629
23.8811206 27.7434821 23.6279301
28.095436 32.6393907 27.7975648
N
V suc (m/s)
1 2 3
0 0.38495559 0.76991118
4 5 6
Tabla 8. Resultado de los cálculos de la bomba centrifuga a 2823 RPM
pág. 7
Caudal vs Altura 20 18 RPM = 2420 16 14 RPM = 2199
) 12 m ( a r 10 u t l A 8
RPM = 2645
6 4
RPM = 2823
2 0 0
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
0.003
0.0035
0.004
0.0045
0.005
Caudal (m^3/s)
Fig. 4. Curva característica H vs Q.
Caudal vs Eficiencia de la bomba centrífuga 35.00%
30.00%
RPM = 2420
) % ( a g 25.00% u f i r t n e c 20.00% a b m o b a 15.00% l e d a i c n 10.00% e i c i f E
RPM = 2199
RPM = 2645
RPM = 2823
5.00%
0.00% 0
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
0.003
0.0035
0.004
0.0045
0.005
Caudal (m^3/s)
Fig. 5. Curva característica n vs Q pág. 8
Caudal vs Potencia hidraulica 0.45 RPM = 2420
0.4
RPM = 2199 0.35 RPM = 2645
) W 0.3 K ( a c i l u 0.25 a r d i h 0.2 a i c n e t 0.15 o P
RPM = 2823
0.1 0.05 0 0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
Caudal (m^3/s)
Fig. 6. Curva característica P vs Q.
Curvas de eficiencias 5%
20
10% 15 15%
10 ) m ( a r u t l A 5
20%
25%
30% 0 0
-5
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
Caudal (m^3/s)
Fig. 7. Concoide de eficiencias.
pág. 9
Conchoide y H vs Q 20 5% 18 10% 16 15% 14
20%
) 12 m ( a r 10 u t l A 8
25% 30% N 2420
6
N 2199
4
N 2645
2
N 2823
0 0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
Caudal (m^3/s)
Fig. 8. Curva característica de H vs Q vs concoide de eficiencias.
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1.
CONCLUSIONES
-
-
-
-
-
Se concluye del ensayo completo de bomba centrifuga que los datos recopilados en la experiencia han sido casi en su totalidad correctas puesto que en el momento de la tabulación de los gráficos estas tuvieron una tendencia en todo momento a ser convexas y no sufrieron puntos de inflexión. Observamos de las gráficas que para el juego de datos las eficiencias se encontraban dentro del rango de 30% y 35 % (Anexos 2, 3, 4,5) en donde a mayor velocidad de rotación mayor su eficiencia en el juego de datos. La altura de descarga disminuye a medida que el caudal aumenta. El rendimiento mecánico máximo se obtiene para una potencia hidráulica máxima, lo que se da cuando el caudal y la altura de descarga toman valores medios. Una posible imprecisión en los instrumentos para la lectura de la presión y el volumen, ya que estos oscilaban, o en el caso del caudal, era muy difícil obtener una medición exacta. El dato utilizado para la eficiencia de transmisión de la bomba de 0.85, el que era algo impreciso, sin poseer el valor exacto, ya que lo dedujimos por la antigüedad de la máquina, lo que pudo inducir a posibles errores de cálculo.
pág. 10
5.2.
RECOMENDACIONES -
-
Tomar los datos de la experiencia con más exactitud para poder realizar una adecuada tabulación para las gráficas. Se considera la eficiencia del motor de 0.85 por motivo que dicho motor ya es antiguo. Hacer un plan de mantenimiento preventivo y cor rectivo a la bomba centrífuga de forma que se reduzcan los errores de lectura por una mala operatividad de la bomba. Tener presupuestado los cambios de los elementos de máquina de acuerdo con su tiempo de uso, como el rodete, siendo este un elemento muy sujeto a sufrir desgaste por cavitación.
6. REFERENCIAS -
Robert Mott, Mecánica de Fluidos Aplicada, Cuarta Edición, Prentice Hall, México 1996. Victor L. Streeter y E. Benjamín Wylie, Mecánica de los Fluidos, Sexta Edición, Mc Graw Hill, 1981. Datos proporcionados por el docente.
7. APENDICE, ANEXO 7.1.
TABLAS Y/O GRAFICAS
Anexo 1. Diámetros comerciales de tuberías de acero. Según numero de cedula 40. pág. 11
Anexo 2. Ecuación de tendencia de Curvas característica H vs Q y n vs Q a 2420 RPM.
Anexo 3. Ecuación de tendencia de Curvas característica H vs Q y n vs Q a 2199 RPM. pág. 12
Anexo 3. Ecuación de tendencia de Curvas característica H vs Q y n vs Q a 2645 RPM.
Anexo 4. Ecuación de tendencia de Curvas característica H vs Q y n vs Q a 2823 RPM.
pág. 13
7.2.
MARCO NORMATIVO
Fig. 9. Grupo Motor – Bomba.
Fig. 10. Especificaciones Técnicas del motor.
pág. 14
pág. 15
Anexo 5. Catálogo de la Bomba POMPETRAVAINI, especificando el modelo 50-315.
pág. 16
pág. 17
Anexo 6. Catálogo del motor eléctrico LEROY SOMER, especificando el modelo MS1001L03. pág. 18
