9. calculo potencia de una bomba
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Perdida de una BombaIngeniería de ProcesosTRANSCRIPT
FACULTAD DE INGENIERIA
Y ARQUITECURA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA INDUSTRIAL
TEMA
CÁLCULO DE LA POTENCIA DE UNA BOMBA
PROFESOR
ING. SEGUNDO VÁSQUEZ
GRUPO 01
ALVAREZ RUMICHE, CRISS
CABRERA GIL, SANDRO ALONSO
PILLACA LARREA, RUBÉN
REYES HERRERA, LUIS ALONSO
INDICE
OBJETIVO 2
INTRODUCCIÓN 3
I. MARCO TEÓRICO 4
1.1 Bombas Hidráulicas 4
1.2 Tipos de Bombas 5
1.3 Potencia de una Bomba 8
1.4 Elección de una Bomba Adecuado 10
1.5 Fallas de Bomba 12
II. TRABAJO DE LABORATÓRIO 14
2.1 Equipo e Instrumentos 14
2.2 Observaciones 15
2.3 Experiencia 15
2.4 Medición y Cálculo 16
CONCLUSIONES 26
LINKOGRAFÍA 27
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OBJETIVOS
Determinar el cálculo de potencia de bomba de laboratorio.
Conocer los principios básicos para el cálculo de la bomba y su potencia.
Brindar información sobre los tipos de bomba y la elección de bomba
adecuada.
Dar a conocer información aplicativa del tema.
2
INTRODUCCIÓN
Es muy habitual en el transporte de fluidos utilizar elementos mecánicos que
aportan energía y presión al mismo para favorecer o incluso posibilitar su
movimiento y transporte. Estos elementos reciben el nombre de bombas
hidráulicas. Uno de los parámetros más importantes de estos mecanismos es lo
que llamaremos potencia hidráulica.
Las bombas logran el trasiego de fluidos, debido a su capacidad de producir vacío,
con lo cual se puede empujar el fluido hacia donde se desee transportar. Existe
una infinidad de bombas las cuales tienen distintas funciones, todo depende del
tipo de fluido de la temperatura a la cual se va a transportar y la presión que se
soportará.
La misión de las bombas es transformar la energía mecánica suministrada por un
motor de arrastre (eléctrico o de combustión interna) en energía oleo hidráulica.
Dicho de otra manera, una bomba debe suministrar un caudal de aceite a una
determinada presión. Además de dar potencia a un sistema hidráulico para ejercer
una función determinada.
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I. MARCO TEÓRICO
I.1 BOMBAS HIDRAULICAS
Una bomba de agua es una máquina hidráulica cuyo funcionamiento se basa
en el Principio de Bernoulli, según el cual, en un fluido ideal sin viscosidad, ni
rozamiento, e incompresible que se encuentra en circulación por un conducto
cerrado, su energía permanece constante en cada punto de su recorrido.
La energía que posee un fluido en movimiento se compone de tres
componentes:
• Cinética: Es la energía que posee el fluido debido a su velocidad de
movimiento;
• De flujo: Relacionado con la presión que posee;
• Gravitatoria: Debido a la altitud del fluido.
Estas tres componentes de la energía se correlacionan con los mismos
términos que definen el Principio de Bernoulli:
v2 . ρ2
+P+ρ .g .h=constante
Siendo,
v, la velocidad del fluido;ρ, la densidad del fluido;P, la presión del fluido a lo largo de la línea de corriente;g, la aceleración de la gravedad (9,81 m/s2);h, es la altura que alcanza el fluido en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia.
Pues bien, una bomba de agua es una máquina hidráulica que es capaz de
transmitir energía al fluido que pasa a su través, convirtiendo la energía
4
mecánica que recibe a través de su eje en una energía "hidráulica" para el
fluido, aumentando su velocidad, su presión o su altura, o todas las
componentes a la vez, según el Principio de Bernoulli.
I.2 TIPOS DE BOMBAS
Según el principio de su funcionamiento, las bombas de agua se clasifican en
dos grandes grupos:
BOMBAS VOLUMÉTRICAS O DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
Se denominan así porque basan su funcionamiento en un órgano propulsor
que genera de manera positiva un volumen o cilindrada. Este tipo de bomba
dispone de una cámara donde se aloja el fluido y cuyo volumen varía cuando
la bomba entra en funcionamiento.
En efecto, cuando las paredes de la cámara empujan al fluido que contiene en
su interior provoca un aumento de la presión de éste, aumentando la energía
del fluido.
A su vez, este tipo de bombas se subdividen en:
ALTERNATIVAS: Pueden ser de émbolo o de membrana, y donde el volumen
que confina el fluido varía por la acción de un émbolo o de una membrana,
respectivamente. En este tipo de bombas el movimiento del fluido es
discontinuo, en pulsaciones, donde la aspiración y descarga del agua se
realiza por la acción coordinada de válvulas.
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Imagen 01 – Bombas Alternativas
ROTATIVAS: En este tipo de bombas el fluido se desplaza dentro de la
cámara, desde una zona de baja presión hasta otra zona de alta presión
donde está la salida. Según el órgano propulsor que mueve el fluido, pueden
ser de paletas, de lóbulos, bombas de tornillo o de engranajes.
Figura 02 – Bombas Rotativas
Bombas roto dinámicas:
En este tipo de bombas existen uno o más rodetes girando a gran velocidad y
que aspiran el fluido. El rodete le comunica la energía cinética de rotación al
fluido que es lanzado a gran velocidad hacia las paredes de la voluta, que al
chocar convierte parte de la energía cinemática que lleva el fluido en presión.
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Figura 03 – Tipos Rodete
Este tipo de máquinas generan un fluido continuo, empleándose para
suministrar caudales altos con presiones moderadas.
En función de la trayectoria que sigue el fluido al ser lanzado por el rodete se
distinguen varios tipos de bombas:
RADIALES O CENTRÍFUGAS: cuando el movimiento del fluido sigue una
trayectoria perpendicular al eje del rodete impulsor.
Figura 04 – Radiales o Centrifugas
AXIALES: cuando el fluido pasa por los canales de los álabes siguiendo una
trayectoria contenida en un cilindro. Empleada para mover grandes caudales
de agua.
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Figura 05 - Axiales
DIAGONALES O HELICOIDALES: cuando la trayectoria del fluido se realiza
en otra dirección comprendida entre las anteriores, es decir, en un cono
coaxial con el eje del rodete.
I.3 POTENCIA DE UNA BOMBA
La potencia se define como la rapidez a que se realiza un trabajo. En la
mecánica de fluidos se modifica dicho enunciado y se considera que la rapidez
con que se transfiere la energía.
La potencia de una bomba hidráulica es la relación entre la energía de flujo
proporcionada por la bomba y el tiempo que la misma ha estado en
funcionamiento para comunicar dicha energía.
En un equipo de bombeo la potencia consumida por éste no es igual a la
potencia que finalmente se transmite al fluido y que es la potencia útil
realmente.
8
En efecto, la potencia teórica o potencia útil (Pu) que se transmite a un fluido,
sea agua u otro cualquiera, y que se invierte en proporcionarle un caudal (Q) y
altura manométrica (H) a su paso por el equipo de bombeo viene dado por la
siguiente expresión:
Pu = ρ · g · Q · H
Donde,
Pu, es la potencia proporcionada al fluido, en W;Q, es el caudal de fluido que atraviesa la bomba, en m3/s;H, es la altura manométrica ganada por el fluido a su paso por bomba, en m;ρ, es la densidad del fluido, en kg/m3;g, es la aceleración de la gravedad: 9,81 m/s2.
Al producto (ρ · g) se denomina peso específico (γ), por lo que la expresión
anterior quedaría como sigue:
Pu = γ · Q · H
Siendo,
γ, el peso específico del fluido, en N/m3.
Según Robert L. Mott, la potencia que requieren las bombas se puede obtener
con la siguiente ecuación:
PA=hA∗Y∗Q
Donde:
PA=potenciaquese agregaal fluido
hA=pesoespecifico del fluidoque circu la através de labomba
Q=flujo volumetrico del fluido
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En todas las instalaciones siempre se producen pérdidas, por lo que siempre
la potencia de la bomba hidráulica debe ser mayor que la potencia teórica
prevista.
Se define así el rendimiento, como el cociente entre la potencia útil
necesaria y la potencia consumida por la bomba. Este valor siempre será
menor que la unidad.
A esta potencia consumida habrá que sumar la pérdida de potencia
calculada en el apatado anterior, por lo tanto:
Las expresiones que hemos obtenido son válidas para
conducciones rectilíneas o con un gran arco de curvatura. Cuando
en las tuberías hay codos, racores, o cualquier otro tipo de
obstáculo, el fabricante proporciona unas tablas en las que se
indica una longitud equivalente a emplear en caso de cálculo, esta
longitud sería la equivalente a una tubería rectilínea que produjese
una pérdida de carga de la misma magnitud.
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I.4 ELECCIÓN DEL MODELO DE BOMBA ADECUADO
Para la selección del modelo adecuado de bomba (una vez establecido el tipo
de ésta) se recurrirá a las llamadas curvas características de la bomba,
aportadas por el fabricante de las mismas. Se necesitan tres curvas diferentes:
Las de caudal y carga de la bomba, llamadas curvas QH
Las de potencia del motor necesario, kW
Las de Carga Positiva Neta de Aspiración Requerida (NPSHr)
Las curvas características se construyen normalmente mediante pruebas
realizadas con agua, por lo que sus datos se deben recalcular si se van a
bombear líquidos con otras propiedades físicas.
El modo de proceder, en el caso de las bombas centrífugas, para el empleo de
estas curvas es el siguiente:
Conocer el fluido a bombear, la temperatura de bombeo y las propiedades
físicas del fluido (densidad y viscosidad) a dicha temperatura.
Establecer el caudal volumétrico a desarrollar (m3/h).
Conocer la carga de la bomba, para lo que hay que determinar
previamente las alturas totales de impulsión y aspiración.
Con la carga y el caudal que se precisan se ha de acudir a la curva QH y,
fijando estas dos magnitudes, determinar el diámetro del rodete, que en
caso de no resultar un valor exacto nos llevaría a escoger el valor mayor
más cercano.
Con el diámetro de rodete determinado y el caudal, en la curva de
potencia se determina el consumo de la bomba. El valor leído en la curva
ha de incrementarse en un 15% como margen de seguridad.
Finalmente y en la curva de NPSHr se determina dicho valor, para el
caudal desarrollado.
En la actualidad hay disponibles programas informáticos, suministrados por los
fabricantes, que realizan la función de las curvas características. Para el caso
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de las bombas rotativas (de desplazamiento positivo) la elección del modelo
adecuado requerirá conocer la viscosidad del fluido a bombear así como el
caudal a desarrollar. Con estos dos valores, y sobre la curva característica de
la bomba, se elige el modelo recomendado por el fabricante, que también
deberá de suministrar datos como la potencia del motor.
I.5 FALLAS EN BOMBAS
Mecanismos de Desgaste
Los procesos de desgaste más comunes son: desgaste abrasivo, desgaste
adhesivo, desgaste por erosión, desgaste por cavitación, desgaste corrosivo y
desgaste por fatiga.
Desgaste Abrasivo: Se refiere al corte del metal por partículas duras o una
superficie áspera. Este tipo de desgaste puede disminuirse removiendo los
restos de manufactura antes de iniciar el trabajo.
Lubricación de bombas hidráulicas: Una fuente de fallas en las bombas
hidráulicas es la mala lubricación. Muchos componentes en el pistón están en
contacto deslizante. Este desgaste por deslizamiento afecta el rendimiento del
plato y del eje del pistón. Desgaste en esta superficie puede facilitar las fugas,
que aumentarán con fluidos menos viscosos. Este desgaste también impacta
en gran medida el rendimiento de la bomba en general.
Oxidación del Fluido: Los fluidos forman ácidos debido a la oxidación. Esto es
acelerado por la operación extendida a altas temperaturas.
Sobre-presurización: Una bomba hidráulica no debe ser sometida a presiones
de operación más altas que esas para las que ha sido diseñada. La sobre-
presurización también se puede causar por fallas de componentes.
Desgaste por Erosión: Partículas de líquido o impregnación de gotas de
líquido en la superficie causan el desgaste por erosión.
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Desgaste por Cavitación: La cavitación se da cuando hay un número excesivo
de burbujas de gas. Luego de repetidas implosiones, el material se daña por
fatiga, resultando en daños en forma de agujeros.
Desgaste Corrosivo: Este tipo de daño se relaciona con ataques
electroquímicos al metal. Algunas causas comunes de corrosión son la
condensación del agua en la humedad del ambiente, vapores corrosivos en la
atmósfera, procesamiento de químicos corrosivos como lo son los
refrigerantes y limpiadores, presencia de ácidos de descomposición o
exposición a metales activos, etc.
Desgaste por Fatiga: La fatiga es favorecida por áreas de contacto pequeñas,
cargas altas y flexión repetida bajo ciclos o deslizamientos recíprocos. Si el
esfuerzo aplicado es mayor al esfuerzo de fluencia del material, el proceso es
acompañado de calor por fricción y flujo plástico del material. Cambios
estructurales también se observan en el material.
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II. TRABAJO DE LABORATORIO
II.1 EQUIPO E INSTRUMENTOS
TUBERÍAS DE PVC TANQUE DE AGUA
BOMBA MEDIDOR DE FLUJO
VALVULAS WINCHA
TERMOMETRO* CRONÓMETRO
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II.2 OBSERVACIONES
Anotar la temperatura inicial antes de realizar la experiencia o antes de
tomar la primera medición del caudal. (Asumimos 25°C)
Encender la bomba para trasladar el agua del tanque a través de
sistema de tuberías previamente ensamblados.
Verificar que el rotor del sensor de flujo del impulsor funcione de
la manera adecuada al encender el equipo.
Tomar los datos lo más precisos y exactos posibles a fin de obtener
una mejor interpretación de los mismos.
Identificar el diámetro de los tubos y las longitudes
Identificar los accesorios que causen perdidas en el sistema de tuberías.
Debido al tamaño del módulo utilizamos una bomba de pocos caballos de
fuerza.
Pudimos apreciar en la parte inferior del tanque una pequeña fuga, la cual
obviamos en el procedimiento.
II.3 EXPERIENCIA
Con el sistema de tuberías ya armado y el tanque de agua lleno se dispuso
a tomar la temperatura inicial del fluido y luego a encender la bomba a fin de
dar inicio trayecto de fluido a través de los ductos, con el cronometro en
mano y material de apunte se tomaron medidas en el sensor de flujo en
intervalos aleatorios de 10 segundos; en los cuales se determinó el flujo de
cada iteración hallando la variación de medidas de flujo tomadas al inicio y al
fin de cada repetición.
Luego se procedió a la medición de las tuberías y la identificación de los
diámetros de las mismas, también se lleva a cabo el reconocimiento de los
accesorios que generarían perdidas en el sistema de tuberías. Habiendo
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recopilado los datos se pasó a efectuar los cálculos a fin de obtener las
perdidas por fricción del módulo.
II.4 MEDICIONES Y CÁLCULO
Módulo Tubería Grupo 01 – Elaboración Propia
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Datos generales para el cálculo:
CAUDAL:
Tiempo (s) Volumen (m3) Caudal (m3/s)
10 0.004 0.0004
10 0.004 0.0004
10 0.004 0.0004
10 0.004 0.0004
PROMEDIO 0.004 0.0004
DIÁMETRO Y ÁREAS:
1 pulgada ¾ pulgada ½ pulgada
Diámetro 0.0304 0.0235 0.0158
Área 7.2582^-4 4.337^-4 1.9607^-4
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Cálculo de las perdidas por fricción
Flujo volumetrico: Q 0.0004 m3/s
Presion en el punto 1 0 kPa
Presion en el punto 2 0 kPa
Velocidad en el punto 1 0 m/s
Velocidad en el punto 2 0.9222 m/s
Elevacion en el punto 1 = 0.14
Elevacion en el punto 2 = 0.41
Peso especifico 9.78 kN/m3 Viscosidad
cinematica
8.94E-07 m2/s
Tuberia 1:
Diametro: D = 0.0235 m
Rugosidad de la pared:
e =
3.00E-07 m
Longitud: L = 1.76 m
Area: A = 4.34E-04 m2
D/e = 78333
L/D = 75
Velocidad del flujo = 0.92 m/s
Carga de velocidad = 0.043 m
Numero de Reynolds = 2.42E+04
Factor de friccion: f = 0.0246
Perdidas de energia K Qty.
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en la tuberia 1:
Tubería: K1 = f(L/D) =
fricción
1.85 Perdida de
energía hL1 =
0.080 m
Elemento 2: K2 = 0.80 1 Perdida de
energía hL2 =
0.035 m
Elemento 3: K3 = 8.36 1 Perdida de
energía hL3 =
0.363 m
Elemento 4: K4 = 0.01 1 Perdida de
energía hL4 =
0.001 m
Elemento 5: K5 = 0.74 8 Perdida de
energía hL5 =
0.256 m
Elemento 6: K6 = 0.49 5 Perdida de
energía hL6 =
0.107 m
Tuberia 2:
Diametro: D = 0.0158 M
Rugosidad de la pared: e = 3.00E-07 m [Vea la tabla 8.2]
Longitud: L = 1.19 m
Area: A = 1.96E-04 m2
D/e = 52667 Rugosidad relativa
L/D = 75
Velocidad del flujo = 2.04 m/s [v = Q/A]
Carga de velocidad = 0.212 m [v2/2g]
Numero de Reynolds = 3.61E+04 [NR = vD/n]
Factor de friccion: f = 0.0224 Emplee la ec. 8-7
Perdida de energia K Qty.
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en la tuberia 2:
Tuberia: K1 = f(L/D)
=
1.69 Perdida de
energia hL1 =
0.36 m Friccion
Elemento 2: K2 = 0.22 1 Perdida de
energia hL2 =
0.05 m
Elemento 3: K3 = 0.45 2 Perdida de
energia hL3 =
0.19 m
Elemento 4: K4 = 0.47 1 Perdida de
energia hL4 =
0.10 m
Elemento 5: K5 = 0.67 1 Perdida de
energia hL5 =
0.14 m
Elemento 6: K6 = 0.01 1 Perdida de
energia hL6 =
0.003 m
Perdidas de energía
en la tubería 2:
K Qty.
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Tuberia 3:
Diametro: D = 0.0304 m
Rugosidad de la pared: e = 3.00E-07 m
Longitud: L = 0.33 m
Area: A = 7.26E-04 m2
D/e = 101333
L/D = 11
Velocidad del flujo = 0.55 m/s
Carga de velocidad = 0.015 m
Numero de Reynolds = 1.87E+04
Tuberia: K1 = f(L/D) = 92.22 Perdida de energía
hL1 =
0.03 m Fricción
Pérdida total de energía hLtot = 1.68 m
Resultados: Carga total sobre la bomba: hA = 2.0 m
Potencia agregada al fluido: PA = 0.01 kW
Eficiencia de la bomba = 0.35 %
Potencia de entrada a la
bomba: PI =
2.23 kW
CONCLUSIONES
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Al finalizar este tema se puede llegar a la conclusión que las bombas a lo
largo de los años han sido creadas y mejoradas para facilitar nuestro
trabajo y usadas para una cantidad sin fin de aplicaciones.
A la hora de seleccionar una bomba para una de estas aplicaciones
siempre se deben tomar en cuenta ciertos parámetros como lo son la
velocidad específica, el tamaño del impulsor y la velocidad de operación, de
modo que las características del funcionamiento dela bomba en relación al
sistema en el cual opera sean tales que el punto de funcionamiento este
cerca del punto máximo de rendimiento, optimizando de esta manera el
rendimiento de la bomba y minimizando el consumo de energía.
LINKOGRAFIA
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Bombas Hidraulicas.
http://www.ingenieriarural.com/Hidraulica/PresentacionesPDF/Present
acionGruposBombeo.pdf
E-educativa. Potencia Hidraulica.
http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/
4750/4918/html/25_potencia_hidrulica.html
Cálculo de Instalaciones de Bombeo de Agua.
http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn206.html#seccion21
Calculo de Bombas y tuberías.
http://www.ugr.es/~aulavirtualpfciq/Bbombasytuberias.html
Calculo de la potencia de la bomba.
http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/tesis/ingenie/monge_t_m/
anexo-8.pdf
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