UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO DEPARTAMENTO DE INGENIERIA COORDINACIÓN DE INGENIERIA MECÁNICA
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS. Laboratorio de Mecánica de Fluidos, Universidad Del Atlántico, Barranquilla
RESUMEN Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio llamado rodete en energía cinética y potencial requeridas. El fluido entra por el centro del rodete, que dispone de unos álabes para conducir el fluido, y por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba, que por el contorno su forma lo conduce Las bombas hidráulicas se pueden clasificar a su vez en bombas de desplazamiento positivo y Bombas dinámicas. Las primeras son útiles para gastos pequeños, presiones altas y líquidas tanto limpias como viscosas (estos últimos en el caso de las bombas de desplazamiento positivo rotatorias). Mientras que las bombas dinámicas funcionan para gastos grandes, presiones medianas y líquidos de todo tipo, excepto altamente viscosos. Las bombas dinámicas se pueden dividir de igual forma en bombas en serie y en bombas en paralelo, estas dos serán el eje de estudio de este proyecto. Cuando la necesidad de operación sea la de tener alta carga a gasto constante es necesario utilizar un sistema en serie como lo ilustra en la figura a continuación. La demanda en el proceso es la de tener un alto gasto con una carga constante (no necesariamente) se debe utilizar un arreglo en paralelo como se indica en la figura siguiente.
1. INTRODUCCION En el siguiente informe se analizara el comportamiento de un arreglo de bombas, teniendo en cuenta el funcionamiento de cada una de ellas y luego el de bombas en paralelo y en serie. El objetivo es conocer y manejar de manera práctica el fundamento teórico del funcionamiento de una motobomba centrifuga. A partir de los análisis de resultados se elaboraran elaboraran las curvas características características del arreglo (Bomba I, Bomba II, Arreglo el Paralelo y Arreglo en Serie).
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Funcionamiento de una Motobomba El principio de funcionamiento de una motobomba es igual al de cualquier bomba hidráulica normal, consiste en transformar la energía mecánica en energía cinética, la gran diferencia es que en vez de ser accionadas por un motor eléctrico son accionadas por un motor de combustión que usará gasolina o diesel. Existen muchos tipos de motobombas pero el más utilizado en la industria es la centrífuga. El funcionamiento de una motobomba centrífuga consiste en un rotor de paletas giratorio que se encuentra sumergido en el líquido. El líquido entra a la bomba axialmente desde la tubería de aspiración hasta el centro del rotor (rodete) el cuál es accionado por un motor, las paletas (alabes) lo impulsan hacia afuera en dirección radial haciendo que gane energía y adquiriendo velocidad. Los álabes del rodete ejercen sobre el líquido un movimiento de rotación, de este modo el fluido es proyectado hacia al exterior debido a la fuerza centrífuga, de forma que abandonan el rodete hacia la voluta a gran velocidad, aumentando su presión en el
Impulsor según la distancia al eje. La elevación del líquido se produce por la reacción entre éste y el rodete sometido al movimiento de rotación; en la voluta se transforma parte de la energía dinámica adquirida en el rodete, en energía de presión, siendo lanzados los filetes líquidos contra las paredes del cuerpo de bomba y evacuados por la tubería de impulsión.
Figura 1. Motob om ba Centrifu ga.
Partes de una Motobomba Centrifuga
La carcasa o voluta: Es la parte que recubre a la bomba y su principal función es la de transformar la velocidad del líquido gracias al impulso
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en presión. Esto es gracias a que la velocidad se reduce debido a un aumento gradual del área. Los impulsores o rodetes: es la parte móvil y la más importante de la bomba, se encuentra unido al eje y está conformado por álabes que pueden tener diferentes formas y que giran dentro de la carcasa. Eje: es el encargado de transmitir el movimiento impartido por el motor, todos los elementos de la bomba giran en torno a él. Anillos de desgaste: su función principal es sellar las posibles fugas que puedan existir entre el impulsor y la carcasa, en estos puntos el desgaste es muy probable, por lo que los anillos son una parte que fácilmente pueden ser extraídos y cambiador. Estoperas y sellos: estos elementos evitan las fugas del líquido hacia afuera y de líquido hacia el interior de la bomba. Cojinetes: su función es la de soportar el eje del rodete.
Figura 2. Partes de una mo tobo mb a centrifug a
Bombas en serie y en paralelo En ocasiones se utilizan varias bombas trabajando en serie o en paralelo sobre el mismo circuito. Esto puede resultar útil como sistema de regulación, o cuando se requieren características muy variables. Cuando varias bombas se colocan en serie, se pueden sustituir, para el cálculo, por otra bomba hipotética que genere una altura suma de las individuales para cada caudal.
Figura 3. Bom bas en serie.
UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO DEPARTAMENTO DE INGENIERIA COORDINACIÓN DE INGENIERIA MECÁNICA De la misma forma, varias bombas en paralelo darán una curva característica conjunta en la que se suman los caudales para cada altura.
Figura 4. Bom bas en Paralelo
Para colocar bombas en serie, y sobre todo en paralelo, es conveniente que sean similares, mejor aún si son idénticas, para evitar que alguna de ellas trabaje en una zona poco adecuada. En el caso de bombas con curva característica inestable (pendiente positiva en alguna zona) conviene prestar especial cuidado, como se verá más adelante. Una advertencia importante: cuando en un sistema dado se colocan varias bombas enserie, el punto de funcionamiento no es la suma de las alturas que cada bomba daría si estuviese conectada al circuito ella sola. En el ejemplo de la figura 4 se puede ver que ninguna de las bombas sería capaz por sí misma de vencer la diferencia de altura inicial. El conjunto de las bombas se representa por la curva característica conjunta, y ésta tendrá su punto de corte con la curva resistente, que no tiene nada que ver con el funcionamiento de cada bomba en solitario con el circuito. En el caso de bombas en paralelo sucede algo similar.
2. PARTE EXPERIMENTAL Para la experiencia se utilizaron los siguientes elementos:
Sistema de Bombas Centrifugas Cubeta graduada Cronometro Manómetro Multímetro
Se utilizó el sistema de bombas, ubicado en el banco de fluidos del Laboratorio CELTI. Lo primero que se hizo fue verificar el correcto funcionamiento de cada bomba por separado,
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Para lo cual se accionaron durante un tiempo y tras detectar ciertos sonidos correspondientes a los habituales, se consideró en buenas condiciones para empezar la experiencia, también se tomó la medición del amperaje y del voltaje para cada configuración antes de empezar con la prueba. Dicho experimento consistió en: Alinear el sistema de bombeo en 4 configuraciones diferentes:
Bomba N°1 activada, Bomba N°2 desactivada. Bomba N°2 activada, Bomba N°1 desactivada. Bomba N°1 y N°2 en serie. Bomba N°1 y N°2 en paralelo.
Para la bomba N°1 y N°2 de forma individual, se empleó agua a temperatura ambiente, se siguió el arranque descrito en la guía de laboratorio. Luego, para aislaron las bombas, y se cerraron las válvulas que las unían. Se abrieron las válvulas de la bomba a trabajar y se varió la rata de flujo con la válvula de descarga varias veces, se esperó hasta que se estabilizara el equipo y se registraron las siguientes medidas:
Presiones en la succión y en la descarga. Volumen recogido de agua en la cubeta y el tiempo que tarda en recoger dicho volumen. Se repitió el mismo procedimiento para cinco ratas de flujo diferentes y para la otra bomba.
Para cada configuración se activó el sistema y se efectuaron mediciones de tiempo, colocando y llenando a la descarga del sistema a una cubeta de volumen equivalente a 5L. El análisis de datos consistió en calcular el flujo correspondiente a cada sistema. Evaluado en la práctica (dividiendo el volumen entre el tiempo); con este resultado se pudo determinar cuál de estos sistemas fue el más eficiente.
Observaciones: Para cada activación del sistema, se debió esperar un tiempo cercano a los 60 segundos, esto con el propósito de estabilizar el flujo y así poder obtener mediciones uniformes. Se cuidó que en todo momento la válvula de flujo del sistema (colocada al final del tanque receptor) estuviera abierta, para que el líquido circulara de y no se atascara en algún punto.
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3. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS A los datos obtenidos de las bombas trabajando independientemente se le cambiaron las unidades de psi a kpa para manejar un sistema de unidades más familiar y así construir las siguientes tablas: CORRIDA
Pd (psi)
Ps (mmHg)
V (Lt)
t (seg)
Amperaje
Voltaje
1
25
5
2
5,43
5
140
2
50
5,3
1,8
12,82
5
140
3
10
4
4,5
8,17
2, 8
140
4
15
5
4
7,25
2,5
140
5
20
4,5
4,5
9,05
4
140
Ta b la 1. B o m b a N ° 1
CORRIDA
Pd (psi)
Ps (mmHg)
V (Lt)
t (seg)
Amperaje
Voltaje
1
10
4
5
7,93
4,7
140
2
15
4
5,5
9,46
4,8
140
3
20
3,5
3,5
6,08
4,8
140
4
25
5
5
10,46
5
140
5
50
4,3
2
14,25
5
140
Tab la 2. B o m b a N ° 2
CORRIDA
Pd (psi)
Ps (mmHg)
V (lt)
t (seg)
Amperaje
voltaje
1
10
4
4
6,48
2,5
2,5
140
2
15
4
5
8,22
2,5
2,5
140
3
20
4
7
11,66
2,5
2,5
140
4
25
4
4,5
7,92
2,5
2,5
140
5
50
4
3
8,07
4
3,5
140
Tab la 3. B o m b a N° 1 y B o m b a N° 2 en s er ie.
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CORRIDA
Pd (psi)
Ps (mmHg)
V (lt)
t (seg)
Amperaje
voltaje
1
10
4
7
5,62
3
3
140
2
15
4
5
4,37
3
3
140
3
20
4
7,5
7,73
3
3
140
4
25
4
2
2,69
3
3
140
5
50
4
3
14,09
6
5
140
Ta b la 4. B o m b a N° 1 y B o m b a N° 2 en p ar al elo .
Nota: En la tabla 3 y 4 la columna de amperaje se dividió en dos para establecer la columna izquierda para la bomba Nº1
Con los datos de las tablas 1 y 2 se pueden encontrar los valores de los caudales para cada corrida y para cada bomba a través de la siguiente expresión:
(1)
Los caudales calculados para cada bomba son:
CORRIDA
Q (m/seg) Bomba Nº1
Q (m/seg) Bomba Nº2
1
0,368324125
0,630517024
2
0,140405616
0,581395349
3
0,550795594
0,575657895
4
0,551724138
0,478011472
5
0,497237569
0,140350877
Tabla 5. Caudales de las bom bas independ ientemente.
Para el caso del laboratorio se considera que el punto de descarga no está a una altura considerable con respecto al punto de succión, las pérdidas menores se desprecian porque es un trayecto muy corto y las velocidades se consideran iguales, por tanto H es la cabeza de presión total; Pd es la presión de descarga; Ps es la presión de succión y γ es el peso específico del fluido:
(2)
Nota: El peso específico del agua es igual a su densidad por la gravedad.
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Ecuación 2 podemos hallar las cabezas de presión total. Estos datos los podemos tabular así: Corrida
H(m) Bomba Nº1
H(m) Bomba Nº 2
1
0.00422
0.00422
2
0.00703
0.00703
3
0.01055
0.01055
4
0.01407
0.01407
5
0.01758
0.01758
Tabla 6. Cabezas de pres ión.
La potencia hidráulica (HHP) SE estima con los valores que ha generado el fluido como lo son el caudal generado y la cabeza de potencia, para ello no valemos de la siguiente expresión:
(3)
De acuerdo a la ecuación tenemos que la potencia para cada bomba es: Potencia (watt)
Potencia (watt)
Bomba N°1
Bomba N°2
1
0,0022
0,0232
2
0,0369
0,0398
3
0,0471
0,0558
4
0,0602
0,0671
5
0,0603
0,0665
CORRIDA
Tabla 7. Tabla de po tencias.
Y para el cálculo de la potencia al eje o al freno se toman los valore generados por las bombas como lo son el voltaje y el amperaje, para ello utilizamos la siguiente ecuación:
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Potencia (watt)
Potencia (watt)
Bomba N°1
Bomba N°2
1
490
490
2
490
490
3
490
490
4
490
490
5
490
490
Corrida
Tabla 8. Potencia al eje para cada bom ba.
De los datos obtenidos en las tablas N°1 y 2 podemos concluir que la potencia el eje es:
Q 1 vs H1 0.02 0.01758
) 0.015 1 a b m 0.01 o b ( H0.005
0.01407 H(Bomba 2)
0.01055 0.00703 0.00422
Q(m3/seg) bomba 2
0 1
2
3
4
5
Grafico 1. Caudal Vs Perdid a de Cabeza (Bom ba Nº1)
Q 2 vs H2 0.02 ) 0.015 2 a m 0.01 o b ( H
H(Bomba 2) Q(m3/seg) bomba 2
0.005
0 1
2
3
4
5
Grafic o 2. Caudal Vs Perdida d e cabeza (Bom ba Nº2)
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4. CONCLUSIONES Es claro que las bombas centrifugas son muy importantes en el transporte de fluidos, pero hay que tener en cuenta cual es la aplicación específica en la que la queremos poner a trabajar, por lo que se debe tener en cuenta el medio, la superficie y por supuesto en que rango de presiones funcionara. Se observó que mediante el tipo de situación que se tenga igualmente se debe saber tanto el tipo de arreglo a usar y las variables a cambiar que cada uno de ellos para ejecutar bien los respectivos cálculos. En una bomba de desplazamiento positivo la frecuencia es la única variable que afecta el flujo. La frecuencia y la potencia hidráulica están relacionadas directamente. Un arreglo en serie se utiliza para aumentar la potencia en un sistema de bombeo y uno en paralelo para aumentar el caudal.
5. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
http://blog.indoostrial.com/el-nuevo-hidrolimpiador-de-comet/
http://es.scribd.com/doc/52355465/40/BOMBAS-EN-SERIE-Y-EN-PARALELO
