ENSAYO COMPLETO DE UNA BOMBA CENTRIFUGA PDF

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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 c...

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA – 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 Bellavista - Callao

2017

1327120081

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 ................................................................................................... 10

6.

REFERENCIAS ....................................................................................................................... 11

7.

APENDICE, ANEXO ............................................................................................................... 11 7.1.

TABLAS Y/O GRAFICAS................................................................................................. 11

7.2.

MARCO NORMTIVO..................................................................................................... 14

INTRODUCCION En muchas situaciones industriales es común encontrarse con una bomba centrifuga, por eso la importancia de la realización y aprendizaje de este ensayo elemental de la operación de una bomba centrífuga, con depósitos o tanques abiertos a la atmósfera. La bomba centrífuga, lo mismo que cualquier otra bomba, sirve para producir una ganancia en carga estática en un fluido, lo que corresponde a una carga dinámica impulsada por las paletas del rotor. Lleva consigo pues, una energía a un fluido procedente de una energía mecánica que se ha puesto en su eje por medio de un motor eléctrico. La bomba centrífuga es una turbomáquina de tipo radial con un flujo de dentro hacia fuera, presentando por lo general un área de paso relativamente reducida en relación con el diámetro del rotor o impulsor, con objeto de obligar al fluido a hacer un recorrido radial largo y aumentar la acción centrífuga lo que justifica su nombre, a fin de incrementar la carga estática. Las partes esenciales de la bomba centrifuga son el rotor o impulsor provisto de álabes, y la caja o carcasa en que está alojado el mismo, la cual forma un todo con la voluta o difusor. Éstas son las bombas de mayor uso a nivel industrial por las ventajas que ofrece, como es el bajo costo de adquisición, fácil diseño, y sencilla operación y mantenimiento. 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 procederá a 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 (η) 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.

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

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

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

N 1 2 3 4 5 6

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

4. MATERIALES Y METODOS 4.1.

ESQUEMA

pág. 4

4.2.

ANALISIS Y METODOLOGIA DE CALCULO

Ecuación de Bernoulli: 𝑃1 𝛾

𝐻=

+

𝑃2 𝑉2 2 𝑉1 2 + 𝑍2 + 𝑍1 + 𝐻 = + 2𝑔 2𝑔 𝛾

(𝑃2 − 𝑃1 ) (𝑉2 2 − 𝑉1 2 ) + (𝑍2 − 𝑍1 ) … … … … (1) + 2𝑔 𝛾

Donde: 𝑄 = 𝑉 ∗𝐴 𝜋 𝑄 = 𝑉 ∗ ( ∗ 𝑑2 ) 4 𝑉=

4∗𝑄 … … … … (2) 𝜋 ∗ 𝑑2

Donde:

P1: Presión de succión (Pa) P2: Presión de descarga (Pa) 𝛾 : Peso específico del fluido (N/m3) 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: pág. 5

𝑃𝐻 = Donde:

𝛾 ∗𝑄 ∗𝐻 … … … … (3) 1000

PH: Potencia hidráulica (kW) Teniendo en cuenta el esquema a continuación:

𝜂𝐺𝑅 = 𝜂𝐻 ∗ 𝜂𝑇𝑅 ∗ 𝜂𝑀 … … … … (4) 𝜂𝐺𝑅 =

𝑃𝐻 𝑃𝐸

𝜂𝑇𝑅 =

𝑃 𝑃𝑋

𝜂𝑀 =

𝑃𝑋 𝑃𝑀

𝑃𝐸 = 𝑉 ∗ 𝐼 Considerando: 𝜂𝑀 = 85% 𝜂𝑇𝑅 ≈ 100% Donde: 𝜂𝐺𝑅 : Eficiencia del Grupo Motor-Bomba 𝜂𝐻 : Eficiencia de la bomba 𝜂𝑇𝑅 : Eficiencia de transmisión del torque 𝜂𝑀 : 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 1 2 3 4 5 6

V suc (m/s) 0 0.38495559 0.76991118 1.15486678 1.53982237 1.84778684

Vdes (m/s) 0 0.63428235 1.26856469 1.90284704 2.53712938 3.04455526

PH (W) 0 98.8431347 177.636578 226.673137 233.947288 209.848801

H (m) 13.3430887 12.0909033 10.8646225 9.24253362 7.1543513 5.34782877

PE (w) 666 745 819.5 894 908.9 975

nGr (%)

nBomba (%)

0 13.2675349 21.6762145 25.354937 25.739607 21.522954

0 15.6088645 25.5014288 29.8293377 30.2818905 25.3211223

nGr (%)

nBomba (%)

2199 RPM N V suc (m/s) V desc (m/s) 1 2 3 4 5 6

0 0.34646003 0.69292007 1.0393801 1.38584013 1.6938046

0 0.57085411 1.14170822 1.71256233 2.28341644 2.79084232

H (m)

PH (W)

PE (W)

10.9533843 10.1204506 8.74621608 7.67410595 5.92012425 4.31616854

0 74.4612149 128.70057 169.386704 174.229257 155.252582

532 603 675 675 675 690

0 0 12.3484602 14.5276002 19.066751 22.4314718 25.0943265 29.522737 25.8117417 30.366755 22.5003743 26.4710286

2645 RPM N

V suc (m/s) V desc (m/s)

1 2 3 4 5 6

0 0.38495559 0.76991118 1.15486678 1.53982237 2.00176908

0 0.634282345 1.268564691 1.902847036 2.537129381 3.298268196

H (m)

PH (W)

15.7327931 14.9023202 13.3948977 11.7728088 9.61434111 6.66477542

0 121.826468 219.006578 288.728137 314.388954 283.319603

nGr (%)

nBomba (%)

810 978 978 1066 1148 1155

0 12.4566941 22.3933106 27.0851911 27.3857974 24.5298357

0 14.6549342 26.3450713 31.8649307 32.2185852 28.8586303

nBomba (%)

PE (W)

2823 RPM N V suc (m/s) 1 2 3 4 5 6

0 0.38495559 0.76991118 1.15486678 1.53982237 2.15575131

V desc (m/s) 0 0.63428235 1.26856469 1.90284704 2.53712938 3.55198113

H (m)

P H (W)

PE (W)

nGr (%)

18.54421 17.1514538 15.7846021 14.0219424 12.2851872 8.40757932

0 140.213135 258.078244 343.888137 401.725621 384.898981

890 948.7 1260 1440 1448 1629

0 14.7795019 20.4824003 23.8811206 27.7434821 23.6279301

0 17.3876493 24.0969416 28.095436 32.6393907 27.7975648 pág. 7

Caudal vs Altura 20 18 RPM = 2420 16

Altura (m)

14 RPM = 2199

12 10 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)

Caudal vs Eficiencia de la bomba centrífuga 35.00%

Eficiencia de la bomba centrifuga (%)

30.00%

RPM = 2420

25.00% RPM = 2199 20.00%

15.00%

RPM = 2645

10.00% 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) pág. 8

Caudal vs Potencia hidraulica 0.45 RPM = 2420

0.4

RPM = 2199

Potencia hidraulica (KW)

0.35

RPM = 2645

0.3

RPM = 2823

0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 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)

Conchoide 5%

20

10% 15

Altura (m)

15%

10

20%

25% 5 30% 0 0

-5

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

Caudal (m^3/s) pág. 9

Conchoide y H vs Q 20 5% 18

10%

16

15%

Altura (m)

14

20%

12

25%

10

30%

8

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)

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1.

CONCLUSIONES -

-

-

5.2.

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.

RECOMENDACIONES -

Hacer un plan de mantenimiento preventivo y correctivo a la bomba centrífuga de forma que se reduzcan los errores de lectura por una mala operatividad de la bomba.

pág. 10

-

Tener presupuestado los cambios de los elementos de máquina de acuerdo a 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

pág. 11

pág. 12

pág. 13

7.2.

MARCO NORMTIVO

pág. 14

pág. 15

pág. 16

pág. 17

pág. 18...