UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE MECÁNICA
LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA III
BOMBA RECIPROCANTE
REALIZADO POR:
REVISADO POR:
Br. Arnaldo Martínez, C.I.: 19.939.196
Prof.: Yordy González
Br. Henry Ríos, C.I.: 20.390.450 Br. Jesús Colón, C.I.: 21.174.358 Sección 02
Puerto La Cruz, Marzo de 2014
RESUMEN Se realizó la evaluación de las características constructivas y de funcionamiento de un banco de prueba de bomba reciprocante de tipo pistón ubicado en el laboratorio de hidráulica, mediante la observación de sus componentes y la obtención de curvas operacionales. Este estudió se llevó a cabo haciendo uso de un equipo ARMFIELD FM 23. El equipo se puso en funcionamiento y sus parámetros eran medidos por medio de sensores conectados a una computadora de escritorio. Estos sensores captaron la presión en el pistón, a la salida de la bomba y el volumen desplazado por el pistón. Se hicieron pruebas variando la apertura de la válvula del caudal de salida (completamente abierta (C/A), parcialmente cerrada y completamente cerrada (C/C)) sin usar el sistema de amortiguación y, C/C, parcialmente abierta y C/A con el sistema de amortiguación. Las curvas de operación y el resto de las variables evaluadas fueron enviadas a la computadora y se analizaron con el software LabView. Se concluyó que con el amortiguador, el fluido a la salida deja de ser intermitente y, el proceso de admisión y descarga tienen una presión interna que guarda cierta similitud si se compara con el sistema sin amortiguación.
ÍNDICE INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. OBJETIVOS .......................................................................................................................... MARCO TEÓRICO .............................................................................................................. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Y SU FUNCIONAMIENTO .......................................... PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ............................................................................ RESULTADOS ...................................................................................................................... BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................... APÉNDICE A. INVESTIGACIÓN ..................................................................................... APÉNDICE B. ANEXOS ......................................................................................................
INTRODUCCIÓN El estudio de las bombas se basa en la necesidad de transportar fluidos de determinadas características aumentando la energía a la salida de acuerdo a la altura que se desea enviar, la presión de diseño requerida, entre otras características. En esta práctica se utiliza una bomba de desplazamiento positivo, también llamadas bombas reciprocantes; este equipo realiza el desplazamiento del fluido por medio de un embolo, donde el cilindro que lo contiene es llenado del fluido y este lo desplaza por otra cavidad. Las bombas de embolo tienen la particularidad de que no tienen límite de presiones, se construyen para presiones de 1000 bar y aún mayores; para aumentar la presión de estos equipos solo basta con hacer la bomba más robusta y colocar un motor de mayor potencia. Este tipo de bomba también maneja una mayor altura de aspiración y tienen un alto rendimiento, existe una carencia de fuerzas de inercia descompensadas, por lo que su funcionamiento esta menos expuesto a vibraciones y su precio es más reducido. Con esta práctica, no solo se persigue agregar experiencias en cuanto a equipos mecánicos, al observar el comportamiento característico y la composición de este tipo de bomba, el estudiante está en capacidad de seleccionar que equipo se requiere para una determinada tarea con tan solo realizar una inspección del medio donde se desea aplicar un sistema de bombeo.
OBJETIVOS Objetivo general Evaluar las características constructivas y de funcionamiento de una bomba reciprocante tipo pistón, mediante la observación de sus componentes y la obtención de sus curvas operacionales.
Objetivos específicos Al analizar la práctica el estudiante debe estar en la capacidad de:
Conocer los distintos tipos de bombas reciprocantes y en particular la bomba de pistón. Describir las partes o componentes y el principio de funcionamiento de una bomba pistón. Conocer y explicar la aplicación industrial o comercial de la bomba de pistón. Conocer y explicar cómo influye la presión de descarga y el uso de amortiguadores en la eficiencia volumétrica de la bomba de pistón. Investigar cómo influye la presión de descarga y el amortiguador de presión sobre la onda de presión dentro del cilindro y en el conducto de descarga.
MARCO TEÓRICO Las bombas reciprocantes descargan una cantidad definida de líquido durante el movimiento del pistón o émbolo a través de la distancia de carrera. Sin embargo, no todo el líquido llega necesariamente al tubo de descarga debido a escapes o arreglo de pasos de alivio que puedan evitarlo. Despreciando éstos, el volumen del líquido desplazado en un a carrera del pistón o émbolo es igual al producto del área del pistón por la longitud de la carrera.
Existen básicamente dos tipos de bombas reciprocantes las de acción directa, movidas por vapor y las bombas de potencia. Pero existen muchas modificaciones de los diseños básicos, construidas para servicios específicos en diferentes campos. [2]
Las bombas reciprocantes se utilizan en numerosas aplicaciones que exceden la capacidad de las bombas centrífugas o rotatorias. Algunos servicios se podrían efectuar con una centrífuga o rotatoria, pero a expensas de un aumento en los requisitos de potencia y de mantenimiento. Debido a los altos costos de la energía, la bomba de potencia, con su elevada eficiencia mecánica, se utiliza cada vez más en muchas aplicaciones. Una bomba reciprocante es de desplazamiento positivo, es decir, recibe un volumen fijo de líquido en condiciones casi de succión, lo comprime a la presión de descarga y lo expulsa por la boquilla de descarga. En estas bombas se logra por el movimiento alternativo de un pistón, émbolo o diafragma. La bomba reciprocante no es cinética como la centrífuga y no requiere velocidad para producir presión, pues se pueden obtener presiones altas a bajas velocidades. Esta es una de las ventajas de la bo mba reciprocante en particular para manejar pastas aguadas abrasivas y líquidos muy viscosos. [1]
El funcionamiento de una Bomba Reciprocante depende del llenado y vaciado sucesivo de receptáculos de volumen fijo, para lo cual cierta cantidad de agua es obligada a entrar al cuerpo de la bomba en donde queda encerrada momentáneamente, para después ser forzada a salir por la tubería de descarga. De lo anterior se deduce, en términos generales, que el gasto de una Bomba Reciprocante es directamente proporcional a su velocidad de rotación y casi independiente de la presión de bombeo.
Como el proceso de llenado y vaciado sucesivo de receptáculos de volumen fijo requiere fricción por resbalamiento entre las paredes estacionarias del receptáculo y las partes móviles, e stas
bombas no son apropiadas para manejar líquidos que contengan arenas o materias en suspensión. Además, la variación cíclica del gasto de descarga puede obligar al empleo de Cámara de aire y de grandes tuberías. Estas bombas son relativamente de baja velocidad de rotación, de tal manera que cuando tienen que ser movidas por motores eléctricos se deben intercalar trasmisiones de engranes o poleas para reducir la velocidad entre el eje del motor y la bomba. [2] En las bombas reciprocantes el pistón crea un vacío parcial dentro del cilindro permitiendo que el agua se eleve ayudada por la presión atmosférica. Como hace falta un espacio determinado de tiempo para que se llene el cilindro, la cantidad de agua que entra al espacio de desplazamiento dependerá de la velocidad de la bomba, el tamaño de las válvulas de entrada y la efectividad del material sellante de las válvulas y del pistón. Debido a la resistencia friccional que se desarrolla en sus partes en movimiento, las bombas reciprocantes tienen una eficiencia relativamente baja; las pérdidas en las correas, los engranes y las chumaceras se añaden a la resistencia de las partes móviles para dar un rendimiento bajo en proporción a la potencia suministrada por la unidad motriz.
Fig. 1 Bomba reciprocante de pistón y esquema de funcionamiento de una bomba de transmisión simple.
Las válvulas de las bombas de pistón son de dos tipos las de succión, que permiten la entrada al espacio de desplazamiento, y las de descarga, que dejan que el agua pase hacia el tubo de descarga, Estas válvulas operan por la fuerza que ejerce sobre ellas el peso del agua, o por la acción ejercida por elemento de desplazamiento. [3]
Fig. 2 Bomba reciprocante horizontal de transmisión de doble efecto. [3]
Las bombas reciprocantes tienen ciertas desventajas y la más común es el flujo a pulsaciones; por ello, se debe tener cuidado en el diseño del sistema. En la mayoría de las aplicaciones los costos inicial y de mantenimiento de las bombas reciprocantes serán mayores que para las centrífugas o las rotatorias. La empaquetadura típica en una bomba de potencia dura menos de tres meses, o sea mucho menos que un sello mecánico en un eje rotatorio. La bomba de acción directa tiene baja eficiencia térmica cuando se le impulsa con un gas como el vapor de agua. La eficiencia mecánica (fuerza de salida dividida entre la fuerza de entrada) es alta; pero, debido a que no tiene ningún componente, como un volante, para almacenar energía, el gas motor debe permanecer a la plena presión de entrada en el cilindro durante toda la carrera; al final de la carrera se expande el gas hacia el tubo de escape, pero no efectúa ningún trabajo durante la expansión.
Por tanto, la energía térmica del gas se pierde por fricción. El consumo aproximado de vapor de estas bombas es de 100 lb/h por cada caballo hidráulico (hhp), es decir, por cada caballo hidráulico producido en el extremo de líquido, se necesitan unas 100 lb/h de vapor. Cuando el fluido-motor es gas natural o aire, el consumo es alrededor de 3 500 ft” estándar/(h) (hhp). La mayoría de los problemas con las bombas reciprocantes se pueden evitar con la selección de bombas que trabajen a velocidades conservadoras, con diseño cuidadoso del sistema de bombeo y con métodos de mantenimiento que conserven la aleación entre el émbolo y el prensaestopas. [1]
DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Y SU FUNCIONAMIENTO Banco de prueba: Capture FM23
Bomba Reciprocante: Marca: DOMOSA. Hmáx = 40m Qmáx = 40Lts/min KW = 0,18 Motor Eléctrico: Marca: Brook Hansen Serie: Nº 18782 Amortiguador: Marca: Speck – Kolbenpumpenfabrik Tipo: DS 270/46 Tmáx = 100 ºC Pmáx = 46 bar Pmín = 6 bar Dos Sensores SPH 4 (Medidores de Presión): Marca: Armfield Rango: - 100 a 1378,4 Kpa Apreciación: ± 0,1 Kpa Sensor SDR 1 (Medidor de Desplazamiento): Marca: Armfield Rango: 0 a 20 mm Apreciación: ± 1 mm
Sensor SHO 1 (Sensor óptico de nivel) Marca: Armfield Computador con software Lab View 8.5
Funcionamiento: El banco de prueba está constituido principalmente de una bomba reciprocante tipo pistón impulsada por la acción de un motor eléctrico. Dicha bomba está conectada a un tanque que sirve de succión y descarga al sistema mediante una serie de tuberías, las cuales están provistas de varias válvulas, que se encargan de regular el paso del fluido (agua), por todo el sistema hidráulico. La presión en la descarga de la bomba puede regularse usando una válvula de control manual o la válvula de carga de operación de salto ajustable tal como es requerida. Las dos válvulas están conectadas en paralelo para que la válvula de carga restrinja la presión en la salida de la bomba cuando la válvula manual está completamente cerrada. La presión de operación de la
válvula puede regularse usando un ajustador hexagonal. El agua de cualquier válvula retorna a la cabeza del depósito por tuberías separadas. Este sistema también presenta otro tipo de válvula denominada válvula de alivio, la cual es incorporada en el cuerpo de la válvula de carga, y dará salida a cualquier exceso de presión. El amortiguador de presión es ajustado a la salida de la bomba para reducir las fluctuaciones de presión en la descarga de la bomba, ésta puede trabajar sin amortiguador al cerrar la válvula aislante entre la bomba y el amortiguador.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Se conocieron los distintos componentes que conforman una bomba reciprocante. 2. Se entendió el principio de funcionamiento del banco de pruebas utilizado para el estudio de una bomba reciprocante.
3. Se encendió la computadora y se abrió el programa utilizado para el registro gráfico de las curvas operacionales de la bomba reciprocante.
4. Se colocó en actividad el banco de pruebas. 5. Se abrió totalmente la válvula de descarga del sistema y se dejó cerrada la válvula del amortiguador.
6. Se observaron a través del computador, el comportamiento de la curva de Presión y volumen del sistema en función del tiempo.
7. Se repitió el paso 6 para una apertura parcial de la válvula de descarga. 8. Se realizó nuevamente el paso 6 pero con la válvula completamente cerrada y se verificó el funcionamiento de la válvula de alivio del sistema.
9. Se abrió la válvula que conecta al amortiguador al sistema. 10. Posteriormente se hicieron de nuevo los pasos 7 y 8 con el fin de conocer la influencia del amortiguador en las curvas estudiadas.
11. Por último se tomó el registro de las gráficas para c ada una de las experiencias y se colocaron en un documento de Word para su análisis.
RESULTADOS
Fig. 3 Sistema sin amortiguador con válvula completamente abierta.
Fig. 4 Sistema sin amortiguador con válvula parcialmente cerrada.
Fig. 5 Sistema sin amortiguador con válvula completamente cerrada.
Fig. 6 Sistema amortiguado con válvula completamente cerrada.
Fig. 7 Sistema amortiguado con válvula parcialmente abierta.
Fig. 8 Sistema amortiguado con válvula completamente abierta.
BIBLIOGRAFÍA 1. Kenneth J., (1998).
“Bombas, selección, uso y mantenimiento”. Primera edición. Editorial
McGraw-Hill. México. 2. Mott, R., (1996).
“Mecánica de los fluidos aplicada”. Cuarta edición. Editorial Prentice hall.
México. 3.
“Bombas” [disponible en la página web: http://www.scribd.com/doc/13939018/Capitulo-VII-
Bombas].
APÉNDICE A. INVESTIGACIÓN
APÉNDICE B. ANEXOS
Fig. B1. Banco de prueba de bomba reciprocante tipo pistón ARMFIELD FM 23.
Fig. B2. Dispositivo receptor de datos de los sensores, conectado a la computadora de escritorio.
Fig. B3. Bomba reciprocante del banco de prueba; se observa el amortiguador de presión (recipiente a presión) y otros componentes del sistema.
Fig. B4. Esquema del banco de pruebas ARMFIELD FM 23; entre sus partes se tiene: soporte (1), válvula de control (2), válvula de desagüe (3), tubería de conexión entre acrílico y tanque volumétrico acrílico (4), dispositivo acrílico (5), tuberías separadas de descarga (6), sensor óptico de nivel (7), tanque volumétrico acrílico (8), punto de referencia de nivel (9), válvula de control de succión (10), tubería (11), transmisor de señal (12), motor eléctrico (13), bomba pistón (14), válvula de entrada al recipiente a presión (15), válvula para el recipiente a presión (16), recipiente a presión (17), pito de descarga del recipiente a presión (18), sensor de desplazamiento (19), sensor de presión (20), sensor de presión (21), válvula de carga de operación de salto ajustable (22), ajustador hexagonal (23).
Fig. B5. Esquema de bomba de émbolo de simple efecto.
