Laboratorio de Mecánica de Fluidos Fluidos Bombas en serie serie y paralelo R. Añez, E. Ibáñez, S. S. Stand, J. Mendoza. Universidad del Atlántico Facultad de Ingeniera !ecánica Fec"a de entrega# entrega# $% de octubre del del $&'(
RESUMEN
La experiencia realizada nos adentra en el funcionamiento de elementos tan importantes en el transporte de fluidos como lo son las bombas. Nuestro objetivo principal es el manejo practico de estos elementos y además entender el comportamientos de los mismos funcionando individualmente, en serie y paralelo. Este laboratorio realizado es de gran importancia dada la constante necesidad de transportar grandes cantidades de fluidos por largas distancias, las bombas, han han toma tomado do un pape papell prot protag agón ónic ico o en proc proces esos os asoc asocia iado doss a todo todo tipo tipo de industrias, inclusive en aplicaciones domesticas simples. or esta razón es importante tener un conocimiento muy somero sobre dichas ma!uinas.
ABSTRACT
"he realized experience us enters in the functioning of so important elements in the transport of fluids li#e it they are the bombs. $ur principal aim is the prac practitica call mana managi ging ng of thes these e elem elemen ents ts and and in addi additition on to unde unders rsta tand nd the the operations of the same ones %or#ing individually, in series and parallel. "his realized laboratory performs great given importance the constant need to transport big !uantities of fluids for long distances, the bombs you centrifuge& they have ta#en a leading paper in processes associated %ith all #inds of indust industrie ries, s, inclus inclusive ive in domes domestic tic simple simple applica applicatio tions. ns. 'or this this reason reason it is important to have a very shallo% #no%ledge on the above mentioned machines.
PALABR PALABRAS AS CL AVES
(ombas, 'luidos, resión, )audal, *rreglo en serie, *rreglo en paralelo.
DISCUSION TEORICA
+iempre !ue tratemos temas de procesos !umicos, y de cual!uier circulación de fluidos estamos, de alguna manera entrando en el tema de bombas. El funcionamiento de una bomba es el de un convertidor de energa, esto es !ue transforma la energa mecánica en energa cin-tica, generando presión y velocidad en el fluido. na bomba centrfuga es una má!uina !ue consiste de un conjunto de paletas rotatorias encerradas dentro de una caja o cárter, o una cubierta o coraza. +e denominan as por!ue la cota de presión !ue crean es ampliamente atribuible a la acción centrfuga. Las paletas imparten energa al fluido por la fuerza de esta misma acción. *s, despojada de todos los refinamientos, una bomba centrfuga tiene dos partes principales/ 012 n elemento giratorio, incluyendo un impulsor y una flecha, y 032 un elemento estacionario, compuesto por una cubierta, estoperas y chumaceras. Las bombas en serie se usan cuando se re!uiere elevar un dado caudal a alturas importantes, se pueden instalar rotores en serie puesto !ue sus curvas caractersticas se suman en el sentido del eje 4. ∆ ) ts = Σ∆) ti
* s
=
*i
En consecuencia, cuando se disponen rotores en serie no podemos decir !ue el mismo caudal es elevado en forma exactamente proporcional al n5mero de rotores. 6os o más bombas pueden trabajar en serie para aumentar la cabeza total del sistema o altura dinámica total. ueden ser las bombas diferentes pero lo normal es !ue sean id-nticas. El caudal pasa a trav-s de cada bomba por turnos y soporta un incremento en la cabeza de 046782 en cada bomba. +e tiene un sistema con tres bombas 01, 3 y 82 instaladas en serie, la succión de la bomba 032 se alimenta con la descarga de la bomba 012. Las bombas en serie son más adecuadas en sistemas con una curva de resistencia alta, por ejemplo, con altas p-rdidas por fricción. )uando se disponen las bombas en paralelo es cuando se re!uiere aumentar el caudal a elevar a una determinada altura. En este caso, las caractersticas de los rotores se suman en el sentido del eje 9. ∆ ) t+ = ∆) ti
* +
= Σ*i
En el campo del abastecimiento y la remoción de aguas, el tipo más com5n de estación de bombeo tiene dos o más bombas id-nticas !ue operan en paralelo, la cabeza a trav-s de cada bomba es igual y el caudal se distribuye por igual para las dos bombas. +i la resistencia del sistema se traza sobre la curva combinada 04 vs 92 para la operación en paralelo se puede verificar !ue el caudal no se ve incrementado en proporción al n5mero de bombas funcionando. or ejemplo, en un sistema de tres bombas instaladas, dos bombas operando aportan más de las dos terceras partes del caudal de las tres bombas.
Figura 1. Bomba Centrífuga
n fsico franc-s fue el primero !ue ideó las caractersticas esenciales de este tipo de bomba, la cual ha ido evolucionando a trav-s de numerosos patentes. "oda una centrfuga consta de un rotor, el cual gira dentro de la caja envolvente, generalmente de forma espiral. El l!uido proveniente de la ca:era !ue entra por el centro del rotor, luego se gira bruscamente a la masa l!uida una fuerza centrfuga, haciendo !ue progresivamente la energa cin-tica de la corriente l!uida se transforma en energa potencial de presión. Las bombas centrfugas, debido a sus caractersticas, son las bombas !ue más se aplican en la industria. Las razones de estas preferencias son las siguientes/ +on aparatos giratorios. No tienen órganos articulados y los mecanismos de acoplamiento son muy sencillos. La impulsión el-ctrica del motor !ue la mueve es bastante sencilla. ara una operación definida, el gasto es constante y no se re!uiere dispositivo regulador. +e adaptan con facilidad a muchas circunstancias. • •
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*parte de las ventajas ya enumeradas, se unen las siguientes ventajas económicas/ El precio de una bomba centrfuga es aproximadamente ; del precio de la bomba de -mbolo e!uivalente. El espacio re!uerido es aproximadamente 17< del de la bomba de -mbolo e!uivalente. El peso es muy pe!ue:o y por lo tanto las cimentaciones tambi-n lo son. El mantenimiento de una bomba centrfuga sólo se reduce a renovar el aceite de las chumaceras, los empa!ues de la presa=estopa y el n5mero de elementos a cambiar es muy pe!ue:o. •
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Funcionamiento de la bomba centrifuga . La energa de un motor hace girar el
eje de la bomba& solidario con -l es el rodete, cuyos álabes aportan la energa cin-tica al agua !ue ha llegado al rodete por el tubo de aspiración. La caja espiral transforma parte de la energa cin-tica en altura piezom-trica debido al aumento progresivo de sus secciones y, por tanto, de la p-rdida de velocidad inicial del l!uido. El l!uido sale por el tubo de impulsión con una determinada energa, en parte cin-tica y en parte piezom-trica. )abe anotar !ue en el sistema de succión de la bomba se deben manejar presiones mayores a la presión de vapor del l!uido de trabajo& como se mencionó en el laboratorio >ropiedades de los fluidos? 0aparte de cavitación2 en la entrada del impulsor se presenta una cada brusca de la presión por lo !ue se recomienda trabajar con un N+4 0carga neta de succión2 suficiente para alivianar este suceso.
En los procesos de operaciones industriales existen re!uerimientos de flujo en los !ue es necesario utilizar un sistema de bombeo con más de una bomba& esto puede ser por!ue la demanda de gasto o de carga del proceso sea excesivamente variable. El uso de dos o más bombas, en lugar de una, permite !ue cada una de ellas opere en su mejor región de eficiencia la mayor parte del tiempo de operación, a5n cuando los costos iniciales pueden ser mayores, el costo de operación más bajo y la mayor flexibilidad en la operación ayuda a pagar la inversión inicial.
6e acuerdo con la necesidad, se pueden presentar casos en !ue es necesario !ue el sistema est- integrado por pares motor bomba igual o par diferentes .
Figura 2. Arreglo en serie o en paralelo de una bomba centrifuga.
)uando la necesidad de operación sea la de tener alta carga a gasto constante es necesario utilizar un sistema en serie como lo ilustra la figura 8. +i la demanda en el proceso es la de tener un alto gasto con una carga constante
+e plantea la ecuación general de la energa/ 2
2
P1 V 1 P V + + h1 + Z 1= 2 + 2 + Z 2 γ 2 × g γ 2 × g
ara el caso del laboratorio se considera !ue el punto de descarga no está a una altura considerable con respecto al punto de succión, las p-rdidas menores se desprecian por!ue es un trayecto muy corto y las velocidades se consideran iguales, por tanto 4a es la cabeza de presión total& d es la presión de descarga& s es la presión de succión y @ es el peso especfico del fluido/ H =
( Pf − Po ) γ
METODOS EXPERIMENTALES
bicados en nuestro banco de trabajo procedemos a realizar la experiencia, tenemos el banco de trabajo de bombas en serie y en paralelo, un balde, un cronometro, para calcular el caudal del li!uido fluyendo a trav-s de las bombas por cada corrida& además de eso tenemos manómetros para medir la diferencia de presión de salida y de entrada. )on estos elementos se hizo la práctica, primero realizando A corridas utilizando la bomba 1 solamente& despu-s se realizo el mismo proceso para la bomba 3 5nicamente esta. 6espu-s de estas A corridas hacemos el mismo proceso pero con las bombas 1 y 3 en serie y tambi-n se realizan A corridas. or ultimo se ajustan las bombas en paralelo y se realizan A corridas y se
apaga la fuente de voltaje. +e toman datos como/ volumen, tiempo, presión de salida, voltaje y amperaje. Los datos obtenidos se adjuntaron en las tablas !ue se encuentran mas adelante.
ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS
ara la bomba 1/ n 1 2 3 4 5
Pd [Psi] 5 10 15 20 25
V [L] 5 5 5 5 5
t [s] 6,65 7,29 8,06 9,04 11,4
n
Pd [Psi]
V [L]
t [s]
1 2 3 4 5
5 10 15 20 25
5 5 5 5 5
6,32 6,65 7,66 8,38 9,79
Amperaj e 4 4 4 4 4
Voltaje 135 135 135 135 135
ara la bomba 3/
Amperaj e 4 4 4 4 4
Voltaje 140 140 140 140 140
ara las bombas 1 y 3 en serie/ n
Pd [Psi]
V [L]
t [s]
1 2 3 4
5 10 15 20
5 5 5 5
6,32 6,73 7,17 7,69
Amperaj e 2,5 2,5 2,5 2,5
Voltaje 140 140 140 140
5
25
5
7,78
2,5
140
ara las bombas 1 y 3 en paralelo/ n
Pd [Psi]
V [L]
t [s]
1 2 3 4 5
10 15 20 25 30
5 5 5 5 5
3,27 3,62 4,25 5,24 5,79
Amperaj e 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5
Voltaje 140 140 140 140 140
* partir de las tablas anteriores, a continuación se muestra el caudal 9 para cada una de las frecuencias registradas por el transformador. Q=
n
Volumen ( metros cúbicos ) tiempo ( segundos )
[m3!s] "om#a [m3!s] "om#a 1 2
1 2 3 4 5
0,00075188 0,00068587 0,00062035 0,0005531 0,0004386
0,00079114 0,00075188 0,00065274 0,00059666 0,00051073
[m3!s] "om#as en $erie 0,00079114 0,00074294 0,00069735 0,0006502 0,00064267
[m3!s] "om#as en paralelo 0,00152905 0,00138122 0,00117647 0,0009542 0,00086356
*hora, pasamos hallar la cabeza de presión total 042, como ya sabemos por lo mencionado anteriormente, -sta !ueda en t-rminos de f y o. H =
( Pf − Po ) γ
)omo la presión final es despreciable, la tomamos como igual a cero. Pf ≈ 0
or lo tanto, la tabla de cabezas de las medidas tomadas !ueda/ % [m] "om#a 1
n 1 2 3
&3,51415 &7,0283 &10,54245
% [m] % [m] "om#as en "om#as en $erie paralelo &3,51415 &3,51415 &7,0283 &7,0283 &7,0283 &10,54245 &10,54245 &10,54245 &14,0566
% [m] "om#a 2
4 5
=
&14,0566 &17,57075
&14,0566 &17,57075
&14,0566 &17,57075
&17,57075 &21,0849
otencia hidráulica 0442/
Es la potencia teórica de una bomba hidráulica. La cual podemos determinar bajo la siguiente fórmula matemática/ HHP=Q × H × γ
ara lo cual teniendo en cuenta el caudal de cada medición, y la cabeza de presión total, armamos la siguiente tabla/
%%P "om#a 1
n 1 2 3 4 5
%%P "om#a 2
%%P "om#as %%P "om#as en $erie en paralelo
&25,920159 &27,273585 &27,273585 &47,289179 &51,840318 &51,2240884 &64,1572174 &67,5074638 &72,1209446 &76,2694945 &82,2763998 &89,6588075 &75,6004638 &88,0332265 &110,777029
&105,4245 &142,847285 &162,229701 &164,474292 &178,620785
CONCLUSIONES
)uando tenemos dos bombas centrifugas en paralelo aumenta el caudal y cuando se tienen bombas en serie la presión de succión es e!uivalente a la de la primera bomba, mientras !ue la de descarga depende de la bomba de salida. or lo cual, n arreglo en serie se utiliza para aumentar la potencia en un sistema de bombeo y uno en paralelo para aumentar el caudal. Las bombas hidráulicas son de gran utilidad en m5ltiples campos ingenieriles, dependiendo de la situación o problema por ejemplo/ si se necesita desalojar agua a mayor velocidad se re!uieren bombas en paralelo& por otro lado si se re!uiere conducir agua por una tubera elevada a una altura se necesita mas potencia por lo !ue sera mejor usar un arreglo en serie.
BIBLIOGRAFIA
=
B$"", Cobert Becánica de fluidos aplicada, D ed. B-xico.
=
'C*NFNF, Goseph& 'FNNEB$CE, Gohn G. BE)HNF)* 6E 'LF6$+ )$N *LF)*)F$NE+ EN FNIENFECF*. J ed. BcIra%=4ill/ B-xico.
