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Summary

El fenómeno de la cavitación1
es de
gran importancia en el diseño de
máquinas hidráulicas de alta velocidad,
tales como turbinas, bombas y hélices
marinas, en las estructuras de derrame y
de flujo subterráneo de presas de gran
altura, y en el movimiento a gr...

Description

PRÁCTICA N°15 CAVITACIÓN EN BOMBAS CENTRÍFUGAS NOMBRES: Nicolás Cobos Ordoñez Natalia Gutierrez Linares Gonzalo Guevara Hincapie

CÓDIGOS: 1022389506 1088342013 1088029052

Fecha de realización de la práctica: 14 / 11 / 2020 dd mm aa Fecha de entrega del informe: 21 / 11 / 2020 dd mm aa 1. OBJETIVOS:

Se cumplió

● Comprender el fenómeno de la cavitación en una bomba centrífuga.

No se cumplió

X

● Construir las curvas características de una bomba centrífuga, a saber: a) Cabeza vs Caudal (H  Q) b) Potencia vs Caudal (

 Q)

X

c) Eficiencia vs Caudal (   Q) d) NPSHr vs Caudal (NPSHr  Q) 2. INFORMACIÓN TÉCNICA Tabla 15.1 Datos técnicos Bomba Fabricante

IHM

Tipo Referencia Diámetro de succión Diámetro de descarga Diámetro exterior del Rodete. D2 Separación de cubiertas a la salida. b2 Diámetro del ojo de entrada

Motor Fabricante Potencia del motor Fases Voltios Amperios Hertz RPM SF (service factor) FORM Condensador

Centrífugo- monoblock 1 x 1¼ x 4 1 ¼ pulgadas NPT 1 pulgada NPT 113 mm 3.5 mm 32 mm

Century ½ HP, 0.37 kW 1 115 / 230 8.0 / 4.0 60 3450 1.6 KJM 108-130F 110V

3. DATOS TOMADOS EN LA PRÁCTICA

Guardamotor Marca Rango

Moeller 6 – 10 A

Tubería Diámetro nominal 1 ¼ pulgadas 1 pulgada

Diámetro interior real 38.15 mm 30.2 mm

Tanque Capacidad

75 Litros

Diferencia de altura entre los manómetros de descarga y succión respectivamente: **  Z manómetros (Zd - Zs): 0.165 m

Tensión (V) Psucc [in Hg] 0 0 0 0 0 0 0

Parámetros de la Operación de la bomba 125,8 T= 24,6°C Pdes [bar] Volumen [L] Tiempo [s] 0,60 60 30,79 0,80 60 32,80 1,00 60 33,69 1,20 50 31,27 1,40 50 34,52 1,65 40 33,70 2,00 0 0,00

Corriente (A) 10,42 10,38 10,26 10,23 10,30 10,07 9,44

Tabla 1. Caracterización de la bomba.

PARÁMETROS DE OPERACIÓN EN LA PRIMERA POSICIÓN DE LA VÁLVULA DE REGULACIÓN

P vacío del tanque [in-Hg] 12 11 10 9 8 7 6 5

P vacío del tanque [mm-Hg]

100 75 50 25 0

P succ bomba [in-Hg] -11,0 -10,0 -9,0 -8,0 -7,0 -6,5 -5,0 -4,0 -3,0 -2,0 -1,5 0,0

P desc bomba [psi]

P desc bomba [bar] 0,70 0,10 0,14 0,20 0,28 0,30 0,35 0,40 0,40 0,50 0,50

T

V

t

[°C] 24,7 24,8 24,8 24,9 24,9 25,0 25,1 25,2 25,3 25,4 25,5

[L] 50 50 60 60 60 60 60 60 60 60 60

[s] 30,93 29,92 34,99 33,30 33,99 33,39 32,85 32,24 32,16 31,81 31,57

0,60

25,6

60

31,24

Tabla 2. Parámetros de operación en la primera posición.

PARÁMETROS DE OPERACIÓN EN LA SEGUNDA POSICIÓN DE LA VÁLVULA DE REGULACIÓN

P vacío del tanque [in-Hg] 12 11 10 9 8 7 6 5

P vacío del tanque [mm-Hg]

P succ bomba [in-Hg]

100 75 50 25 0

-11,0 -10,0 -9,0 -8,0 -7,0 -6,0 -5,0 -4,0 -3,0 -2,0 -1,5 -0,5 0,0

P desc bomba [psi]

P desc bomba [bar] 0,20 0,28 0,30 0,35 0,40 0,48 0,50 0,60 0,62 0,70 0,70 0,76 0,80

T

V

t

[°C]

[L]

[s]

26 26,1 26,2 26,3 26,3 26,4 26,5 26,6 26,7 26,8 26,9 26,9 27

50 50 50 50 60 60 60 60 60 60 60 60 60

32,41 31,58 30,90 30,68 35,91 35,54 34,87 34,27 33,96 33,55 33,44 33,27 32,94

Tabla 3. Parámetros de operación en la segunda posición.

PARÁMETROS DE OPERACIÓN EN LA TERCERA POSICIÓN DE LA VÁLVULA DE REGULACIÓN P vacío del tanque [in-Hg] 12 11 10 9 8 7 6 5

P vacío del tanque [mm-Hg]

100 75 50 25 0

P succ bomba [in-Hg] -10,5 -9,5 -8,5 -7,5 -7,0 -5,5 -5,0 -4,0 -2,5 -2,0 -1,0 0,0 0,0

P desc bomba [psi]

P desc bomba [bar] 0,50 0,55 0,60 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,00 1,10 1,10

T

V

t

[°C] 27,7 27,8 27,9 28 28 28,1 28,3 28,4 28,5 28,6 28,7 28,8 28,9

[L] 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50

[s] 34,30 33,61 33,12 32,79 32,49 32,19 31,50 31,10 30,58 30,21 30,26 30,20 30,05

Tabla 4. Parámetros de operación en la tercera posición.

PARÁMETROS DE OPERACIÓN EN LA CUARTA POSICIÓN DE LA VÁLVULA DE REGULACIÓN

P vacío del tanque [in-Hg] 12 11 10 9 8 7 6 5

P vacío del tanque [mm-Hg]

100 75 50 25 0

P succ bomba [in-Hg] -10,5 -9,5 -8,5 -7,5 -7,0 -5,5 -4,5 -4,0 -3,0 -2,0 -0,5 0,0 0,0

P desc bomba [psi]

P desc bomba [bar] 0,70 0,90 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,20 1,20 1,25 1,30 1,50

T

V

t

[°C] 29,3 29,4 29,5 29,6 29,6 29,7 29,8 29,9 29,9 30,0 30,2 30,3 30,5

[L] 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50

[s] 36,80 35,86 35,37 32,12 34,79 34,36 34,06 34,02 33,49 33,17 32,94 32,17 32,09

Tabla 5. Parámetros de operación en la cuarta posición.

4. INFORME 4.1 En una grfica trazar la curva: Cabeza vs Caudal (H - Q), Potencia vs Caudal (W - Q), Eficiencia vs Caudal (ɲ- Q) y NPSHR vs Caudal (NPSHR - Q).

● 4.1.1. Cálculos- Caudal: Se realiza el cálculo del caudal de operación de la bomba en cada uno de los puntos, con la siguiente expresión:

Con los datos de la primera fila de la Tabla 1, correspondientes a un volumen de 60 litros, con un tiempo de 30,79 segundos, se hace el cálculo correspondiente al caudal, como se muestra:

De igual forma, se realizan los cálculos de la misma forma con los demás datos de la Tabla 1. ● 4.1.2. Cálculos – Cabeza:

Ecuación de la cabeza de una bomba a partir de la ecuación de energía. es despreciable porque los puntos de referencia están ubicados cerca de las conexiones de succión y descarga. La cabeza dinámica es tenida en cuenta porque los diámetros de tubería de succión y descarga de la bomba son diferentes. Teniendo en cuenta el valor de los diámetros internos de las tuberías de succión y descarga, Dsucc= 38,15 mm (1 ¼ in) y DDesc= 30,2 mm (1 in). (Información técnica de la tabla 15. 1 de la guía de la práctica). Entonces:

A partir de los datos de la primera fila de la Tabla 1 se elabora el cálculo de las velocidades de succión y descarga de la bomba: Para la succión:

Para la descarga:

Con estos valores de velocidad de succión y descarga para la bomba y con los datos de la primera fila de la Tabla 1, se realizan los siguientes cálculos:

El valor de γ= a T=24,6°C extraído de la tabla 2 de la referencia [1], y la diferencia de elevación entre los puntos de referencia es 0,165 m, dato técnico constante en el equipo, hallado en la tabla 15. 1 de la guía de la práctica. De igual forma, se realizan los cálculos de la misma forma con los demás datos de la Tabla 1. ● 4.1.3. A partir de los cálculos en el numeral 4.1.2 y los datos de la Tabla 2 se elaboró la siguiente tabla.

Tabla 6. Cabeza entregada por la bomba.

● 4.1.4. Cálculos – Potencia de Accionamiento: Donde:

Ecuación de Potencia eléctrica; de la nota al pie de página de la guía de la práctica.

El factor de potencia cos ϕ y la eficiencia del motor η, son obtenidas de la configuración de motor eléctrico seleccionada de la siguiente tabla teniendo en cuenta el porcentaje de carga medido en el motor. La configuración seleccionada corresponde a un motor de características similares al empleado en la práctica (monofásico, potencia de 0,5HP y alrededor de 3450 rpm).

Tabla 7. Datos técnicos del motor.

Figura 1. Características estándar del motor.

Ecuación de porcentaje de carga; obtenida del documento de la referencia [2]. Para la primera línea de datos de la Tabla 1:

Para factores de carga mayores del 100 %, se tomarán los datos de características del motor para un factor de carga del 100 %. Para este porcentaje de carga: y , de la tabla de características del motor, de modo que:

● 4.1.5. A partir de los cálculos del numeral 4.1.4. y los datos de la Tabla 1 se elaboró la siguiente tabla.

Tabla 8. Potencia de accionamiento de la bomba.

● 4.1.6. Cálculos – Eficiencia de la Bomba:

Ecuación de la eficiencia de la bomba; obtenida del documento de la referencia [2].

● 4.1.7. A partir de los cálculos del numeral 4.1.6. y los datos de las tablas 6 y 8 se elaboró la siguiente tabla.

Tabla 9. Eficiencia de la bomba.

● 4.1.8. Cálculos – NPSHR: Para determinar el valor de la NPSHR de la bomba, se hace el estudio del comportamiento de la cabeza frente a la NPSHD para el sistema, a las diferentes posiciones de la válvula del equipo descrito en la guía de la práctica. ● 4.1.8.1. Cálculos- Caudal (Tercera posición de la válvula de regulación): Se realiza el cálculo del caudal de operación de la bomba en cada uno de los puntos, con la siguiente expresión:

Con los datos de la primera línea de la Tabla 4, correspondientes a un volumen de 50 litros, con un tiempo de 34,30 segundos, se hace el cálculo correspondiente al caudal, como se muestra:

De igual forma, se realizan los cálculos de la misma forma con los demás datos de la Tabla 4. ● 4.1.8.2. Cálculos – Cabeza (Tercera posición de la válvula de regulación):

Ecuación de la cabeza de una bomba a partir de la ecuación de energía. es despreciable porque los puntos de referencia están ubicados cerca de las conexiones de succión y descarga. La cabeza dinámica es tenida en cuenta porque los diámetros de tubería de succión y descarga de la bomba son diferentes, teniendo en cuenta el valor de los diámetros internos de las tuberías de succión y descarga, Dsucc= 38,15 mm (1 ¼ in) y DDesc= 30,2 mm (1 in). (Información técnica de la tabla 15. 1 de la guía de la práctica). Entonces:

A partir de los datos de la primera fila de la Tabla 4 se elabora el cálculo de las velocidades de succión y descarga de la bomba: Para la succión:

Para la descarga:

Para el cálculo del peso específico se debe medir la densidad en cada punto debido a que cada toma de datos tiene un valor de temperatura diferente por lo que la densidad y posteriormente también el peso específico varía continuamente, se determinó de la siguiente manera:

Tabla 11. Densidad del agua.

Debido a que las temperaturas tienen valor decimal se debe interpolar dichos valores en la tabla 10. Para 27,7°C sería:

Donde: Y: es el valor que se busca hallar de densidad. X: es el valor de temperatura medida. Ya y Xa: valores de densidad y temperatura menores más próximos. Yb y Xb: valores de densidad y temperatura mayores más próximos.

El peso específico se puede hallar con la siguiente ecuación:

Con estos valores de velocidad de succión y descarga para la bomba y con los datos de la primera fila de la Tabla 4, se realizan los siguientes cálculos:

La diferencia de elevación entre los puntos de referencia es 0,165 m, dato técnico constante en el equipo, hallado en la tabla 15. 1 de la guía de la práctica. De esta misma manera se realizan los cálculos para los demás datos de la Tabla 4, teniendo en cuenta que en cada toma de datos se tiene una medida de temperatura, para cada valor de temperatura se debe calcular el valor del peso específico del agua a dichas temperaturas. ● 4.1.8.3. Cálculos – NPSHD (Tercera posición de la válvula de regulación):

Expresión del cálculo de la NPSHD, obtenida de la referencia [3]. La presión de succión utilizada en la expresión debe ser absoluta, es decir, se debe tener en cuenta la presión atmosférica local (86 kPa o 0,86 bar para la ciudad de Pereira), debido a que la presión de vapor del líquido se suministra en las tablas de propiedades termodinámicas del líquido de forma absoluta. Con los datos de la primera fila de la Tabla 4, se realizan los siguientes cálculos:

El valor de la Pv= 0,037514 bar, son obtenidas de las tablas de propiedades termodinámicas del agua de la referencia [4]. ● 4.1.8.4. Tablas y gráficas de todas las posiciones de la válvula de regulación:

Tabla 10. Parámetros de operación en la primera posición de la válvula de regulación.

Gráfico 1. Hb vs NPSHd en la primera posición.

Nota gráfico 1: Se ignoró el primer valor correspondiente a 0,70 bar de presión de descarga a 24,7 ºC, por facilidad a la hora de graficar y presentar resultados.

Tabla 11. Parámetros de operación en la segunda posición de la válvula de regulación.

Gráfico 2. Hb vs NPSHd en la segunda posición.

Tabla 12. Parámetros de operación en la tercera posición de la válvula de regulación.

Gráfico 3. Hb vs NPSHd en la tercera posición.

Tabla 13. Parámetros de operación en la cuarta posición de la válvula de regulación.

Gráfico 4. Hb vs NPSHd en la cuarta posición

● 4.1.8.5. Comportamiento del NPSH-r de todas las posiciones de la válvula de regulación:

Tabla 14. Resultados del análisis de los gráficos.

● 4.1.9. Gráfico de las curvas características de la bomba experimental:

Gráfico 5. Curvas características de las bombas.

4.2 Calcular la velocidad específica dimensional (en el sistema inglés) para esta bomba. ¿El valor calculado est en el rango esperado? Sustente lo anterior valiéndose de la grfica apropiada y anexe ésta al informe. Para el cálculo de la velocidad específica dimensional de la bomba, se tiene la siguiente expresión:

Expresión del cálculo de la velocidad específica en el sistema inglés, tomada de la referencia [6].

Con los datos del punto de mejor eficiencia de la Tabla 9, se realizan los siguientes cálculos:

Gráfica 6. Relación de NS con la geometría de la bomba . El dato obtenido de velocidad específica para la bomba de la práctica se encuentra entre los valores esperados de bombas con rodetes radiales, tal cual se puede evidenciar en el gráfico 6, que relaciona los valores de velocidad específica con la geometría del rodete de la bomba, de esta manera se confirma el comportamiento esperado y adecuado de la bomba bajo las condiciones de operación de la prueba. 4.3 ¿El comportamiento de la bomba es el esperado? Utilice la grfica (H - Q) y (BHP - Q ó BkW - Q) para analizar dicho comportamiento. Se puede afirmar que el comportamiento de la bomba fue el esperado a partir del análisis a las curvas de desempeño obtenidas experimentalmente. Como se puede observar en el gráfico 5, el comportamiento de la curva H vs Q es el característico de las bombas rotodinámicas, con el máximo valor de cabeza en el Shut Off, y su respectivo descenso a medida que aumenta el caudal. De la misma manera, el comportamiento de la curva BkW vs Q se asemeja a las curvas observadas en prácticas anteriores para bombas centrífugas similares, donde la potencia de accionamiento del dispositivo crecía de acuerdo al aumento del caudal de funcionamiento.

5. ANÁLISIS DE DATOS Y/O GRÁFICOS ●

Mediante el análisis del gráfico 5 se muestra que las curvas de desempeño obtenidas para la bomba de la presente práctica corresponden a los comportamientos característicos de estos equipos. Lo anterior se respalda comparando el gráfico obtenido en el ensayo con el gráfico siguiente, correspondiente a la información técnica de desempeño proporcionada por el fabricante. En ella se muestran las curvas de cabeza contra caudal y su comportamiento característico descendente, y las curvas de NPSH R. También se puede evidenciar una semejanza entre las curvas de NPSHR mostradas por el fabricante y la obtenida en la práctica de laboratorio.

Gráfica 7. Curvas H vs. Q y NPSHR vs. Q proporcionadas por el fabricante IHM S.A.S.

● Por medio del cálculo de la velocidad específica dimensional, se identificó que el desempeño de la bomba en la práctica correspondía a una bomba con geometría de rodete centrífugo. 6. CONCLUSIONES ●

Se logró comprender el fenómeno de cavitación en el desempeño de las bombas, según lo establecido por la teoría correspondiente al tema, y por ende su importancia en la operación de máquinas hidráulicas y los métodos que se pueden emplear para incrementar la NPSHD de modo que se pueda evitar la presencia de cavitación en los equipos.

●

Se determinó que el desempeño de la bomba con geometría de rodete centrífugo fue el adecuado.

7. BIBLIOGRAFÍA [1] Guia, cavitación en bombas centrífugas, suministrada en clase. [2] Eficiencias y Potencias; MATAIX, Claudio. Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas. 2 ed. México: Harla, 1982. 660 p. [3] FOX, Robert; Mc DONALD, Alan; PRITCHARD, Philip J. Introduction to Fluid Mechanics. 6th Edition. USA : Wiley, 2004. 786 p. [4] TABLAS Y FIGURAS COMPLEMENTARIAS (UNIDADES SI); ÇENGEL, Yunus A; BOLES, Michael A.; “TERMODINÁMICA”. México D. F.; Mc Graw Hill, TOMO 1, Segunda edición, APÉNDICE A•1, p. 945. [5] NELIK, Lev. “Centrifugal and Rotary Pumps: Fundamentals with Applications”. Boca Ratón, FL: CRC Press, 1999, p. 90. [6] MUNSON, Bruce; YOUNG, Donald y OKIISHI, Theodore. Fundamentos de Mecánica de Fluidos. México: Limusa-wiley, 1999. 787 p....