Universidad Mayor de San Andrés Facultad de Ingeniería Ingeniería Mecánica
Laboratorio . Máquinas Hidráulicas MEC-415. Gestión I /2011 . Laboratorio Nº1 Bombas Centrífugas
1. Objetivo - Determinar las curvas características de la bomba. - Determinar el rendimiento de la bomba para diferentes caudales y alturas de carga. 2. Fundamento Teórico Una bomba es un dispositivo empleado para impulsar o elevar la presión de un fluido. Bombas centrífugas Las bombas centrífugas, también denominadas rotativas, tienen un rotor de paletas giratorio sumergido en el líquido. El líquido entra en la bomba cerca del eje del rotor, y las paletas lo arrastran hacia sus extremos a alta presión. El rotor proporciona al líquido una velocidad relativamente alta que se transforma en energía de presión en una parte estacionaria de la bomba conocida como difusor. El rotor debe ser cebado antes de empezar a funcionar, es decir, debe estar rodeado de líquido cuando se arranca la bomba. Esto puede lograrse colocando una válvula de retención en el conducto de succión, que mantiene el líquido en la bomba cuando el rotor no gira. Si esta válvula falla, será necesario cebar la bomba introduciendo líquido desde una fuente externa, como el depósito de salida. Por lo general, las bombas centrífugas tienen una válvula en el conducto de salida para controlar el flujo y la presión. Elementos constitutivos.siguientes elementos:
En una bomba radial de eje horizontal se pueden destacar los
Rodete.- Que gira solidario con el eje de la máquina y consta de un cierto número de álabes que imparten energía al fluido en forma de energía cinética y energía de presión.
Corona directriz.- O corona de álabes fijos, que recoge el líquido del rodete y transforma la energía cinética comunicada por el rodete en energía de presión, ya que la sección de paso aumenta en esta corona en la dirección del flujo. Esta corona directriz no existe en todas las bombas; porque encarece su construcción; aunque hace a la bomba más eficiente.
Caja espiral.- Transforma por segunda vez la energía cinética en energía de presión, y recoge además con pérdidas mínimas de energía el fluido que sale del rodete, conduciéndolo hasta la tubería de salida o tubería de impulsión.
Tubo difusor troncocónico.- Realiza una tercera etapa de difusión o de transformación de energía cinética en energía de presión.
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Curvas características de bombas centrifugas: Las curvas características de una bomba representan el comportamiento de la bomba. Por lo general el proveedor de una bomba realiza pruebas de laboratorio para determinar estas curvas y la suministra junto con la bomba. Estas curvas pueden ser de Altura de Carga vs. Caudal, Rendimiento vs. Caudal, Rendimiento vs. Altura de carga y Potencia Hidráulica vs. Caudal. En la placa de una bomba puede observarse entre sus características una altura de carga y caudal que representan los óptimos para un mejor rendimiento de la bomba. El objetivo del laboratorio es determinar estas curvas a partir de las mediciones realizadas. 3. Descripción del Equipo Empleado El equipo empleado en la experiencia consta de: -
Bomba Centrífuga
n= 1450 RPM; Q= 250 m3/h; H= 7.5 m Fis; φ = 200 mm Tubería de descarga -
Motor Eléctrico
V = 220 V; w=1460 rpm; cos φ =0.85 Δ; f=50 Hz
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Vertedero Rectangular
Dimensiones: b=59.2 cm w=10.9 cm R: regla graduada móvil S: Soporte de la regla f: foco piloto (se enciende al hacer contacto la superficie del agua y el vértice de la regla) Punto 1: base del vertedero Punto 2: cresta del vertedero Punto 3 Superficie Variable -
Manómetro
Adherido a la tubería de impulsión, entrega medidas en metros de columna de agua y pies de columna de agua. 4. Procedimiento El laboratorio consiste en bombear agua desde un pozo en las instalaciones del instituto haciendo uso de la bomba y el motor eléctrico que la impulsa descritos anteriormente, la tubería de descarga consta de un manómetro y desemboca en un depósito en el cual se cuenta con un vertedero rectangular con el fin de aforar el caudal bombeado.
Esquema del Procedimiento Univ. Torrico Barrero, Carlos Javier
Universidad Mayor de San Andrés Facultad de Ingeniería Ingeniería Mecánica 4.1. Equipos e instrumentos utilizados - Bomba centrífuga - Motor eléctrico - Depósito con vertedero - Manómetro 4.2. Datos, cálculos y resultados a) Datos del Laboratorio
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Valores constantes Altura de succión h1[cm] 127
Altura de Impulsión h2 [cm] 60,5
Lectura Vertedero punto 1 [cm] 32,5
Lectura Vertedero punto 2 [cm] 43,4
Tensión Motor V [V] 220
Factor de Potencia cosφ 0,85
Valores Variables Lectura Manómetro h3 [m.c.a] 0 2 3 4 5 7 8 9 9,5 b)
Lectura Intensidad vertedero corriente punto 3 [cm] I [A] 56,8 24,5 56,4 24,5 56 23,8 55,5 23 54,7 22,6 52,5 21,6 50 20,4 46,3 18,7 43,4 18,5
Ecuaciones de los cálculos realizados Potencia suministrada por el motor eléctrico √ Potencia Hidráulica de la bomba en kW ( )
(⁄ )
Caudal del Vertedero √
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⁄
(
)
Universidad Mayor de San Andrés Facultad de Ingeniería Ingeniería Mecánica Factor de Corrección para el Caudal
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⁄
(
[
)] [
]
Altura de líquido para el Vertedero
Altura de cresta del Vertedero
Altura de carga neta de la Bomba
Rendimiento Total Motor-Bomba
c)
Tabla resumen de resultados w [m] 0,11
h [m] 0,13
Factor de corrección u 0,71
Caudal Q [l/s] 85,71
1,88
1,58
7,94
19,85%
0,11
0,13
0,71
81,90
3,88
3,11
7,94
39,21%
0,11
0,13
0,71
78,15
4,88
3,73
7,71
48,45%
0,11
0,12
0,70
73,54
5,88
4,24
7,45
56,86%
0,11
0,11
0,70
66,37
6,88
4,47
7,32
61,11%
0,11
0,09
0,68
47,96
8,88
4,17
7,00
59,65%
0,11
0,07
0,67
29,63
9,88
2,87
6,61
43,41%
0,11
0,03
0,66
8,63
10,88
0,92
6,06
15,19%
0,11
0,00
0,00
0,00
11,38
0,00
5,99
0,00%
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H [m]
P hidráulica [kW]
P eléctrica [kW]
η total %
Universidad Mayor de San Andrés Facultad de Ingeniería Ingeniería Mecánica d) Gráficas
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Altura de Carga vs. Caudal H vs. Q 12.00
10.00
Altura de Carga H [m]
8.00
6.00
H vs. Q Valores Nominales
4.00
2.00
0.00 0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
70.00
80.00
90.00
Caudal Q [l/s]
Rendimiento vs. Caudal
Rendimiento vs. Q 70%
Rendimiento n %
60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
Caudal Q [l/s]
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60.00
70.00
80.00
90.00
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Laboratorio . Máquinas Hidráulicas MEC-415. Gestión I /2011 . Rendimiento vs. Altura de Carga
Rendimiento vs. H 70% 60%
Rendimiento n %
50% 40% 30% 20% 10% 0% 0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
Altura de Carga H [m]
Potencia Hidráulica vs. Caudal
Ph vs. Q 5.00
Potencia Hidráulica Ph [kW]
4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
Caudal Q [l/s]
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60.00
70.00
80.00
90.00
Universidad Mayor de San Andrés Laboratorio . Facultad de Ingeniería Máquinas Hidráulicas MEC-415. Ingeniería Mecánica Gestión I /2011 . 5. Interpretación de Resultados El comportamiento de la bomba es el esperado. La altura de carga neta máxima de la bomba correspondiente a un caudal de nulo es de 11,38[m]. El rendimiento máximo obtenido en la experiencia es del 61% para un caudal de 66 l/s y una altura de carga de 6.88 [m] aproximadamente. La potencia hidráulica máxima obtenida en la experiencia fue de 4,47 kW para las condiciones anteriores. El motor eléctrico alimentó la bomba con potencias entre 6 y 8 kW. 6. Conclusiones y Recomendaciones Las curvas obtenidas corresponden al comportamiento esperado para la bomba. Los rendimientos corresponden a los esperados para el tipo de bomba utilizado. Se recomienda revisar las pérdidas de caudal en el depósito utilizado en la experiencia. 7. Cuestionario 7.1. La misma bomba evaluada en la experiencia, se encuentra instalada al borde de un río, con altura de succión de 2m y altura de impulsión de 14 m, el río mantiene su nivel de agua y tiene un caudal de 500 l/s, debe bombear agua para riego a la meseta adyacente, indique ¿qué caudal en litros/segundo se dispone para riego? Resp. Según el requerimiento, se necesita que la bomba entregue una altura de carga total de 16 m, altura de carga muy por encima del valor máximo hallado correspondiente a un caudal nulo. El caudal bombeado es cero. 7.2. La misma bomba evaluada en la experiencia, se encuentra con motor dañado (fuera de uso), pero se dispone de un motor trifásico de 15 kW, 1460 RPM, entonces: a) b) c)
Utilizar este motor, pero el caudal bombeado será mayor a 70 l/s a una altura H= 7.5 m y el rendimiento motor-bomba será mayor. Utilizar este motor, pero el caudal bombeado será el mismo Q= 70 l/s a H= 7.5 m y el rendimiento motor- bomba será menor. No utilizar este motor porque la bomba se encontraría sometida a RPM y potencia mayor, peligrosa para la bomba ¿Por qué?
Resp. b) Utilizar este motor, pero el caudal bombeado será el mismo Q=70 l/s a H=7.5 m y el rendimiento motor-bomba será menor, porque la bomba entregará una potencia hidráulica de 7.5 kW a pesar de ser mayor la potencia del motor.
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7.3. Una bomba con características H=20m y Q=20l/s, se encuentra en funcionamiento, pero con caudal bombeado Q=30 l/s, entonces: a) b) c)
La bomba se encuentra bombeando a una altura neta menor que H= 20 m La bomba se encuentra bombeando a una altura neta mayor que H= 20 m El motor es sub dimensionado en potencia ¿Por qué?
Resp. a) La bomba se encuentra bombeando a una altura neta menor que H=20m, porque las características de la placa de la bomba indican el comportamiento óptimo de la misma para una altura de carga de 20m y un caudal de 20 l/s, y como se ha demostrado en el laboratorio, a caudales bombeados mayores al nominal, la altura de carga decae por debajo del valor nominal y viceversa. 7.4. Se tiene un pozo de 100 m de profundidad, perforado y entubado con una tubería de 6” de diámetro hasta la superficie, las pruebas de bombeo arrojaron los siguientes resultados, a caudal bombeado Q=0 l/s, el nivel de agua se establece a 12 m de profundidad y con caudal bombeado Q= 10 l/s, el nivel dinámico se establece a 30 m de profundidad, se cuenta con una bomba centrífuga del mismo tipo que la bomba evaluada en laboratorio, en su placa tiene las siguientes especificaciones: H=50 m.c.a. Q= 10 l/s, y se desea bombear para fines de riego. Recomendar: a) b)
Instalar la bomba al pozo No recomendar la bomba para esta aplicación ¿Por qué?
Resp. a) Instalar la bomba al pozo y establecer un caudal de bombeo próximo a 10 l/s, de este modo la bomba proveerá una altura de carga de 20 m.c.a. en la tubería de descarga y el nivel dinámico permanecerá a 30m de profundidad.
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