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Facultad De Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química y Ambienta Sede Bogotá1Av. Carrera 30 # 45-03 - CiudadUniversitaria Edificio 453, Aulas Ingeniería (+57 1) 3165321 - (+57 1) 3165000EXT: 14053Preinforme: Bomba centrifugaUniversidad Nacional de Colombia, Sede Bogotá Laboratorio de Fluidos, S...

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Laboratorio de Fluidos, Sólidos y Transferencia de Calor Facultad De Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química y Ambienta

Preinforme: Bomba centrifuga Universidad Nacional de Colombia, Sede Bogotá Laboratorio de Fluidos, Sólidos y Transferencia de Calor, 2015719-8 Carlos Mario Arciniegas Vargas [email protected] o CC: 1094968703

Esteban Forero Castañeda [email protected] CC: 1019126724

Laura Daniela Rincón Martínez [email protected] CC: 1032504949

Mónica Patricia Martínez Polo [email protected] .co CC: 1032503012

Juan Sebastián Rubiano Chona [email protected] CC: 1020834743

Santiago Torres Salamanca Bogotá D.C. 7 de marzo del 2020 aumento de la presión o flujo a la salida de la bomba. Las de desplazamiento positivo son de torque fijo, mientras que las dinámicas son de torque variable.

1. Objetivos General Caracterizar la bomba centrífuga de tipo radial con respecto a su NPSH, eficiencia, potencia de freno y carga total a una velocidad determinada para diez flujos diferentes

Una bomba centrifuga convierte la energía en energía quinésica, en el líquido al acelerar el fluido, al exterior borde exterior del mecanismo. La cantidad de energía transmitida depende de la velocidad en el exterior del propulsor y el tamaño de este.

Específicos  Determinar las curvas características de potencia de freno y carga total para diez caudales distintos a una velocidad fija.  Calcular la cabeza de succión positiva neta para cada caudal.  Determinar cuál es la velocidad específica de la bomba en la que se tiene la mayor eficiencia. 2. Fundamento teórico Bomba: Las bombas se catalogan regularmente en dos macro categorías, las de desplazamiento positivo y dinámico (centrifugas). Las de desplazamiento positivo utilizan medios mecánicos para variar el tamaño o desplazar el recipiente donde se encuentra el fluido y así causar el flujo de este. Por otro lado, las bombas dinámicas o centrifugas ejercen impulso al fluido al rotar rodetes o impulsores inmersos en el fluido, lo cual ocasiona un

Imagen 1. Part e se s e nc i al e sdeunabombac e nt r í f uga

La generación de una resistencia al flujo controla la energía cinética del liquido que sale del impulsor. La primera resistencia la genera la voluta de la bomba que captura el líquido y lo ralentiza, generando un aumento de presión. La bomba no genera aumento de presión, sino de flujo, la 1

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resistencia al mismo es la que genera la presión.

P atm

A continuación, se presentan los componentes mecánicos de una bomba centrifuga:

Donde carga entre la superficie libre y la entrada del impulsor de la bomba. Así, la carga disponible en la entrada del impulsor se obtiene:

NPSH La cabeza neta de succión positiva es la cabeza requerida en la entrada de la bomba para evitar que el líquido cavite o hierva. La entrada de la bomba o el lado de succión es el punto de baja presión donde se producirá la cavitación.

P V2 P atm −Z1 −Σ h L = s + f (3) ρg ρg 2 g De modo que:

NPS H D=

El NPSH se define como, la diferencia entre la carga de presión de estancamiento en la entrada de la bomba y la carga de la presión de vapor:

NPSH=

2

P V −Z1 = s + 2 gf + Σ hL (2) ρg ρg Σ h L representa las pérdidas de

P Patm −Z 1−Σ h L− v (4 ) ρg ρg

Por último, para que la bomba funcione correctamente, es necesario que:

Pi V i2 P v + − (1) ρg 2 g ρg

NPS H D ≥ NPS H R (5)

Donde 

Pi es la presión en la entrada de la bomba.



Vi es la velocidad en la entrada de la bomba.



Pv es la presión de vapor del líquido.

Existen dos valores de interés de la NPSH. El primero es la NPSH requerida, denotada como NPSHR que es necesario mantener, o exceder, de modo que no ocurra cavitación. Es necesario determinarla experimentalmente.

Curvas de rendimiento medido para dos modelos de bomba centrífuga de agua en carcasa básica con tres tamaños de impulsor y la cabeza neta de succión positiva (NPSH)

Gráfica 1.

El segundo valor de la NPSH es la NPSH disponible, denotada por NPSHD que representa la carga que realmente ocurre para el sistema de flujo particular. Este valor se puede determinar experimentalmente, o calcular si se conocen los parámetros del sistema.

Vertederos Un vertedero es una obstrucción que debe ser sobrepasada por la corriente. Siendo una estructura destinada a permitir el paso libre o controlado del flujo de líquido de forma superficial, como consecuencia de la acción de la gravedad, razón por la cual, el caudal Q se correlaciona con la gravedad g y con la altura H que, medida sobre el vertedero, tiene el agua aguas arriba.

Al aplicar la ecuación de energía entre la superficie libre de líquido, donde la presión es atmosférica, P atm, y en un punto sobre el lado de aspiración de la bomba cerca de la entrada del impulsor se obtiene:

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- Vertedero de pared gruesa Consiste en un bloque rectangular de altura Pw y longitud Lw, la cual, tiene una corriente unidimensional horizontal de condiciones próximas a la crítica. La carga corriente arriba por encima de la superficie superior se llama carga de vertedero y se denota por H.

Imagen 3. Fl uj os obr eve r t e de r odepar e dde l gada

Es necesario tener en cuenta que las expresiones para determinar el caudal y la corrección con el coeficiente de descarga varían según la forma de la abertura que tenga el vertedero. Imagen 2. Flujo sobre vertedero de pared gruesa

A continuación, se mostrará la expresión correspondiente para un vertedero de pared delgada triangular:

Para obtener la relación de la profundidad crítica yc en términos de carga de vertedero, se escribe la ecuación de la energía entre la sección corriente arriba y la sección sobre el vertedero para flujos con fricción despreciable como:

()( 3/2

2 Q=C dv ,grueso b √g 3

La razón de flujo puede determinarse cuando se conocen tanto el ancho de la pared b como la carga del vertedero H, (la cual es la distancia vertical entre la cresta del vertedero y la superficie libre corriente arriba) empleando la ecuación de Bernoulli y asumiendo que la altura del vertedero es grande en relación con la carga del vertedero, se obtiene la siguiente expresión para un vertedero de pared delgada triangular:

2 3 /2

V H+ 1 2g

)

(6)

Donde se tiene que el coeficiente de descarga para vertedero de pares gruesa es

C

dv , grueso=

√

-

5

0,65 (7 ) H Pw

Q=C dv ,tri

1+

Vertedero de pared delgada

()

8 θ (8) 2 g H2 tan √ 15 2

Los efectos de la fricción son corregidos con el coeficiente de descarga en el cual los valores típicos varían entre 0,58 y 0,62. Si H > 0.2m y 45° < θ < 120°, el valor del coeficiente de descarga del vertedero Cdv es casi de 0,58.

Un vertedero de pared delgada es una placa vertical colocada en un canal, la cual fuerza al líquido a fluir a través de una abertura para medir la razón de flujo. Este tipo de vertederos se caracterizan por la forma de su abertura, algunas de ellas son rectangular, triangular, entre otros.

Presión La presión hidráulica se define como la fuerza ejercida por unidad de área por parte de un fluido en todas las direcciones. Añadir fluido a un volumen fijo genera un aumento en la presión, mientras que extraerlo genera una disminución de esta. La resistencia al flujo causa que la presión

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se vea magnitud.

alterada,

disminuyendo

La potencia dada al fluido es igual al producto del peso específico por el caudal y por la altura manométrica

su

La energía asociada a un flujo liquido en movimiento viene dada por las contribuciones de la energía cinética, la presión hidrostática y la presión.

Pw=gρQH (11) c. Potencia al freno

v2 C=P+ ∗ρ+ρgh(9) 2

La cual es la potencia necesaria para mover la bomba.

Donde C es una constante la cual varía de acuerdo con las condiciones estipuladas.

Pf =ωT (12)

Consideraciones teóricas Donde 

ω es la velocidad angular del eje y



T el par en el eje.

Si no hubiese pérdidas, Pw y la potencia al freno serían iguales, por lo cual, Pw es siempre menor

Imagen 3. Eval uac i óne xpe r i me nt alpar al ade t e r mi nac i óndel a c abe z aobt e ni daporunflui doe nunabombac e nt r í f uga

d. Eficiencia de la bomba

Figura 2. Evaluación experimental para la determinación de la cabeza obtenida por un fluido en una bomba centrífuga

η=

a. Cabeza total desarrollada

Además, la eficiencia se compone básicamente de tres partes: volumétrica, hidráulica y mecánica.

El aumento de carga real, es decir la altura manométrica, H, ganado por el fluido a través de una bomba se puede determinar usando la ecuación de energía, considerando que H =hs − hf

-

Eficiencia volumétrica

ηv =

Donde 

hs es la carga del trabajo del eje



hl es la pérdida de carga de la bomba.

Q =(14 ) Q +Q L

Donde 

En las secciones de la entrada (1) y la salida de la bomba (2) las diferencias de altura y velocidades son pequeñas de modo que:

H=

Potencia dada al fluido Pw (13) = Potencia al freno Pf

-

QL es la pérdida de fluido debido a fugas en los espacios libres de la carcasa del impulsor.

Eficiencia Hidráulica

h ηh=1− s=( 15 ) hf

p 2− p 1 (10) γ

Donde hf tiene tres partes: (1) pérdida de choque en el ojo debido a una coincidencia imperfecta entre el flujo de entrada y las

b. Potencia dada al fluido 4

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entradas de la cuchilla, (2) pérdidas por fricción en los pasos de la cuchilla y (3) pérdida de circulación debido a una coincidencia imperfecta en el lado de salida de las cuchillas -

Eficiencia mecánica

ηm =1−

Pw Pf

=(16 )

Por ende, la eficiencia total está definida por:

η=ηv ηh ηm (17) Curvas características Se trazan regularmente para una especifica velocidad de giro del eje n (rpm). El caudal (Q) se toma como la variable independiente básica (normalmente se toma en galones por minutos). Las variables dependientes son la altura manométrica (H), la potencia al freno ( Pf) y el rendimiento ƞ.

Gráfica 2. Curvascar ac t e r í s t i c asdeunabombac e nt r i f ugat í pi c a c onve l oc i daddegi r oc ons t ant e

Efectos de bombeo Algunos los factores que afectan la operación prolongada de una bomba y su vida útil son:

La altura manométrica es aproximadamente constante a caudales bajos y luego decrece hasta 0 cuando Q es máximo. La parte de pendiente positiva de la altura manométrica puede ser inestable y generar oscilaciones. El rendimiento siempre es nulo cuando no hay flujo y cuando el flujo es máximo, y entre 80 y 90 para flujos del 60% del flujo máximo. La altura manométrica y la potencia cuando el rendimiento es máximo son los puntos de rendimiento máximo o PMR. La curva de potencia al freno típicamente crece de forma monótona con el caudal.

1. Fuerza radial: Fallos en los juntas y sellos. Para ello se debe operar a o cerca del punto de máxima eficiencia, ya que en este punto la bomba experimenta la menor cantidad de fuerza radial. 2. Contaminación: Sea como mugre o ingreso de material. 3. Presión de succión: El incremento de la presión de succión mejora las condiciones del rotor y con ello la expectativa de vida de la bomba. 4. Alineación del controlador: La mala ubicación del controlador o la bomba sobre exige los soportes radiales. El factor de desalineación reduce exponencialmente la vida útil de los soportes mencionados. 5. Esfuerzo de tubería: La incorrecta posición de la tubería de succión o descarga respecto a las bridas de la bomba puede generar esfuerzos adicionales sobre estas y con ello ocasionar fallos en las uniones.

A continuación, se presenta una grafica representativa de las curvas características de una bomba, con los puntos mencionados anteriormente localizados:

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6. Propiedades de los fluidos: El pH, la viscosidad y la gravedad especifica afectan profundamente la vida útil de las partes humedecidas de la bomba, como los impulsores y la carcasa. 7. Arranques: La operación a condiciones continuas y constantes debilitan en menor medida que los constantes arranques y detenidas a las bombas centrifugas. 8. Margen de NSPHA: Mientras mayor sea la diferencia entre la cabeza neta de succión disponible y la requerida, menores posibilidades de cavitación presenta la bomba. 9. Velocidad de la bomba: Factor crucial, mientras mayor cantidad de revoluciones por minuto, menor será la expectativa de vida de la bomba. 10. Balance de los propulsores: Un impulsor desbalanceado puede llegar a presentar el fenómeno denominado shaft whip, que deflacta el impulsor como la fuerza radial cuando la bomba opera a puntos lejanos del PMR. 11. Geometría de la tubería: Determina la manera en la que se carga el fluido a la bomba. Mientras más nivelado y distribuido entre el fluido, menor es el impacto de los impulsores. Se recomienda además mantener velocidades menores a 10 u 8 ft/s si es posible, pero sin llegar a flujos laminares pues trastocan las dinámicas del mecanismo. 12. Temperatura de operación de bomba: Debe evitarse operar la bomba para temperaturas lejanas a la que se fijo para el diseño de la bomba, pero sobre todo evitar cambios bruscos de esta variable. Se recomienda por lo menos un ritmo de 2 grados Fahrenheit por minuto para realizar cambios necesarios. 13. Penetración de la carcasa: Se convierten en aumentadores de esfuerzo para el material que constituye la carcasa, ocasionando posibles puntos de fractura o corrosión localizada.

4. Muestra de cálculos Para esta muestra de cálculos se usarán los siguientes datos del ensayo 2, de la tabla 1 que se encuentra en anexos. a. Caudal de acuerdo con la altura de vertedero obtenido La ecuación del vertedero es:

Q=1,651 ×1 0−5 H 2,45 Donde: 

H = Altura alcanzada por el vertedero (cm). −5

Q=1,651 ×1 0 ( 1 8,43−13,82 )2,45 Q=0, 000 70

m3 s

b. Velocidad promedio del fluido y régimen de flujo Para hallar la velocidad promedio del fluido la ecuación es:

v prom =

Q At

Donde:

At =

Área transversal diámetro es 5 pulgadas.

teniendo

un

Q = Caudal del fluido.

(0 , 127 × π × 14 ) 2

m3 0,00070 s 2 m ¿ v prom = ¿ v prom =0,0 551

m s

Una vez obtenidos los datos de la velocidad promedio, se puede determinar el régimen hidrodinámico presente en la tubería:

ℜ=

ρ v prom D μ

Donde:

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   

ρ = Densidad del agua. Vprom = Velocidad promedio del agua. D = Diámetro de la tubería μ = Viscosidad del agua. 1000 ℜ=

Δ z = Diferencia de alturas entre la succión y la descarga. Pérdidas que H fs = experimenta el fluido, su ecuación está dada por:

 

kg m ∗0,0551 ∗0,127 m 3 s m kg 0,001002 ms

H fs=4 f

( )( ) v2 2g

L D

ℜ=6983,18 Donde:

c. Factor de fricción El factor de fricción se calculó para el régimen de flujo respectivo y para una longitud de 0.575 m, si el Reynolds obtenido es...