CARACTERIZACIÓN DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA

Objetivo General.

Caracterizar una bomba centrífuga.

Objetivos específicos.

Hallar las curvas que relacionan la cabeza total, la eficiencia y la potencia al freno, cada una con el caudal.

Calcular la cabeza neta positiva de succión (NPSH). Determinar la velocidad específica a la máxima eficiencia.

Marco Teórico.

Curvas características: Son una serie de curvas halladas mediante experimentación, en las cuales se relaciona el caudal con otras características de la bomba como eficiencia, potencia al freno y cabeza. Sirven para determinar las condiciones de operación de a bomba a un caudal determinado.

Potencia al freno: Potencia entregada por el motor sin tener en cuenta las pérdidas por partes como la caja de cambios, el alternador, el generador y otros. Se calcula con cualquiera de las siguientes fórmulas (la ecuación 1 y 2 son tomadas de las referencias bibliográficas 1 y 2 respectivamente) :

W f=0.4971∗F∗RPM

a) b)

c)

Figura 1. Ejemplo de curvas características de una bomba centrífuga: a) Caudal vs Cabeza total, b) Caudal vs Potencia al freno, c) Caudal vs Eficiencia.

Ecuación 1. Potencia al freno I.

Wf =GPM∗H∗G3960∗ɳ

Ecuación 2. Potencia al freno II.

Wf= Potencia al freno (W)

F = Fuerza (medida con la balanza) (Kg)

RPM = revoluciones por minuto

GPM = galones por minuto

H = Cabeza total (ft)

G = Gravedad específica

ɳ = Eficiencia de la bomba

NPSH: La cabeza neta positiva de succión es un parámetro que se calcula para asegurar que en la entrada de la bomba, al haber succión, la presión del fluido no disminuya hasta o por debajo de la presión de vapor del mismo, para evitar la cavitación. Este valor calculado debe ser mayor comparado con el valor dado por el fabricante de la bomba.

NPSH=P s−Pv

gρ+ V 2

2 g

Ecuación 3. Cabeza neta positiva de succión.

NPSH = Cabeza neta positiva de succión (m).

Ps= Presión de succión (Pa).

Pv= presión de vapor del fluido (Pa).

ρ = densidad del fluído (Kg/m3).

V = Velocidad media de succión (m/s).

g = aceleración de la gravedad (m/s2).

Velocidad específica: Son las revoluciones por minuto a las cuales una bomba teórica, con la misma geometría de la bomba a caracterizar, genera un caudal de 1 gpm para una cabeza total de 1 pie.

N s=RPM∗Q0.5

H 0.75

Ecuación 4. Velocidad específica de la bomba.

Ns = velocidad de la bomba (RPM).Q = Caudal a la mayor eficiencia (gpm).H = Cabeza total a la mayor eficiencia (ft).

Descripción de equipos.

Groso modo, en esta práctica utilizaremos un tanque de almacenamiento del alimento, una bomba centrífuga, un motor dinamómetro, una vertedera, dos manómetros, un instrumento para medir el nivel, 3 válvulas y la tubería con sus respectivos accesorios.

Tanque de almacenamiento: Este es un depósito en el cual se tendrá agua a un nivel aproximadamente constante por encima del nivel de salida del alimento, cuenta con una capacidad cercana a los 2 m3 y también está provisto por un ducto de entrada del agua. Tanto en la entrada como la salida, se controla el flujo por medio de una válvula de compuerta.

Bomba centrífuga: Es un tipo de bomba

constituida por un rotor con paletas que aprovecha a fuerza centrifuga para impulsar un fluido. La densidad del líquido no influye en la cantidad de energía que le da la bomba, dado un caudal y una velocidad.

Figura 1. Bomba centrífuga usada en la práctica

Las partes más importantes son:

o Eje: Pieza cilíndrica a la cual están sujetas las partes rotatorias y su

función es mantenerlas alineadas.o Impulsor: Es la parte más importante de la bomba, es la pieza que impulsa

e fluido mediante unas aspas o álabes.o Carcasa: Cubre al impulsor y contiene al fluido, transforma la velocidad en

presión formando vacío. o Empaques y sellos: Se encargan de evitar escape del fluido, evitando

pérdidas de presión.

Motor-Dinamómetro: El motor es el equipo encargado de proveer la potencia a la bomba centrífuga. Tiene las siguientes características: Es de marca General Electric, tipo TLC 2442, trabaja a 110A y 250V, como generador absorbe 40HP y como motor entrega 30HP; para ambos casos maneja una velocidad entre 1000-3000 R.P.M. El motor cuenta con dos ventiladores par su refrigeración; estos cumplen con las siguientes características: Son de marca General Electric, tipo KH, trabajan a 1140 R.P.M. a 3.4A y 115V. Por último, este equipo cuenta también con un dinamómetro, el cual es un dispositivo que mide fuerza, su funcionamiento básico se basa en la ley de Hooke (elongación de un resorte). Consta de un muelle que se deforma de acuerdo a la fuerza aplicada.

Manómetro: Instrumento usado para medir presión, cuyo valor de referencia es la presión atmosférica, por lo que como su nombre lo indica, nos arroja un dato de presión manométrica.

El manómetro más sencillo es el que consta de un tubo en forma de U que contiene por lo general mercurio, con un extremo abierto y el otro conectado al recipiente a cual se quiere medir la presión. Otro tipo de manómetro es el de Bourdon, que consta de un tubo doblado en forma de espiral, cerrado por un extremo que empieza a enderezarse a medida que por el otro extremo se aplica presión y esto hace que la aguja en la escala comience a moverse.

Los manómetros que usaremos en el laboratorio, están graduados para marcar una presión desde 75 cmHg de vacío hasta 150 cmHg. Se dispondrá de dos con las mismas características, esto con el fin de conocer la presión con la que entra el agua a la bomba y la presión a la que sale.

Figura 2. Motor de la bomba centrífuga. Figura 3. Ejemplo de dinamómetro.

Figura 4. Manómetro en U. Figura 5. Manómetro de Bourdon.

Tacómetro: Este dispositivo nos permite medir la velocidad con la que gira un eje, de esta forma podremos conocer la velocidad de giro del motor en R.P.M.

Tanque de descarga y vertedera a 90°: Como su nombre lo indica, a este equipo llega el agua producto de la descarga de la bomba. Es un tanque horizontal provisto de una malla cuadrada de madera para regular y organizar el caudal y, está provisto de una vertedera que tiene un corte en forma de ‘V’ con un vértice a 90°.

Válvulas: Para la práctica se contará con tres válvulas de compuerta dos para controlar la entrada y la salida del agua al tanque de alimentación (con 8 y 4 pulgadas de diámetro respectivamente) y una tercera para controlar la descarga de la bomba (8 pulgadas de diámetro).

Datos necesarios.

En la práctica tomaremos a cada revolución por minuto del motor, varias medidas de caudal y a cada una de estas medidas se tomara registro de la presión de succión, la presión de descarga, la altura del vertedero y el peso registrado en el dinamómetro. Antes

Figura 6. Manómetro usado en la práctica.

Figura 7. Tanque y vertedera Figura 8. Válvula de entrada a la bomba

de iniciar las medidas se debe medir la altura inicial de la vertedera. La tabla de toma de datos será la siguiente:

Tabla 1. Datos a tomar.

Los datos a medir son:

- Z = altura vertedero (cm).- F = Fuerza (Kg).- RPM = Revoluciones por minuto.- Pd = Presión absoluta en la descarga (Pa).- Ps = Presión absoluta en la succión (Pa).- g = Aceleración de la gravedad (9,8 m/s2).- ρ = Densidad del agua (Kg/m3).- ∆Z =Z – 13,82. Diferencia de alturas entre la succión y la descarga (60 cm).- f = Factor de fricción de Fanning.- L = Longitud de la tubería (m).- D = Diámetro de la tubería (m). - ν = Velocidad media del fluido (m/s).- μ = Viscosidad absoluta del agua (Kg/m*s).- Pv = Presión del vapor del agua (Pa).- νs = Velocidad media del fluido en la succión.- As = Área de la sección de succión (m2).

Resultados esperados.

Primordialmente el resultado que obtendremos será la caracterización de la bomba centrífuga, es decir obtener las curvas características, además de obtener otros datos

RPM

Ensayo

1

importantes como la cabeza neta positiva de succión (NPSH), información que sirve para evitar la cavitación, y la velocidad específica a máxima eficiencia.

Para hallar las curvas se calcula el caudal, la cabeza total, la potencia al freno y potencia entregada al fluido para hallar la eficiencia.

Con los datos obtenidos en el punto anterior, y con el fin de cumplir los objetivos se calcula:

El caudal (Q): en cada caso con la ayuda de la ecuación del vertedero.

Q=1,651 x10−5∗¿Ecuación 5. Caudal.

Donde Z, es la altura del vertedero(cm): ∆ z=(Z−13,82)

Cabeza total (H): Para calcularla se debe hallar el número de Reynolds (N ℜ¿:

N ℜ=D∗v∗ρ

μEcuación 6. Número de Reynolds.

Con este se halla el factor de fricción de Fanning (f) y se hallan las pérdidas por fricción (H fs):

H fs=

4∗f∗LD

∗v2

2∗gEcuación 7. Pédidas por fricción.

La cabeza total se halla por la igualdad de la velocidad en la succión y en la descarga.

H=Pd−Ps

g∗ρ+∆ Z+ H fs

Ecuación 8. Cabeza Total.

Potencia de freno (W freno¿ : donde RPM son las revoluciones por minuto, y F es la fuerza en kilogramos.

W freno ( vatios )=0,4971∗F∗RPMEcuación 1. Potencia de freno I.

Potencia entregada al fluido (W fluido¿ :

(W fluido¿ : g∗H∗Q∗ρEcuación 9. Potencia entregada al fluido.

Eficiencia de la bomba (η):

η=W fluido

W freno

Ecuación 10. Eficiencia de la bomba.

La cabeza neta positiva de succión (NPSH): la cual se obtiene mediante la siguiente expresión:

NPSH=P s−PV

gρ+ ν2

2g[m ]

Ecuación 3. Cabeza neta positiva de succión.

Con los datos obtenidos de cabeza total, ponencia al freno y eficiencia, se realizan tres graficas respecto a los diferentes caudales manejados.- Gráfica 1. Cabeza Total Vs Caudal.- Gráfica 2. Potencia al freno Vs Caudal.- Gráfica 3. Eficiencia Vs Caudal.

La velocidad especifica de la bomba: se halla de acuerdo a la siguiente ecuación:

N s=n∗Q0,5

H 0,75 [RPM]

Ecuación 4. Velocidad específica de la bomba.

Donde Q es el caudal en galones por minuto que se lee en la gráfica 2 para la condición de máxima eficiencia y H es la cabeza total en pies de la gráfica 1.

Consideraciones de seguridad

Para el experimentador:

Equipo de protección personal ( guantes , gafas de seguridad , bata, Calzado apropiado)

Manejo de la bomba.

Inicio:

Verifique el estado de los equipos, estabilícelos si es necesario (bomba, valvulas, salidas, entradas, conexiones) y el panel de control

Operación:

Verifique la apertura de las válvulas de succión/descarga Verificar y garantizar un flujo estable y continuo en la succión ,con el fin de evitar

que las bomba cavite

Verifique la válvula de salida o descarga se encuentre abierta

Finalización:

Frenar el dinamómetro y para este caso desde el panel de control manipular de los interruptores en la siguiente orden :1) Pasar el interruptor de la opción “line” a “stop”2) Regresar los 3 reostatos a la posición cero3) Pasare l interruptor “field” a la posición “off”

ANEXOS

PARTE A

Ensayo Caudal (m3/s) Cabeza total (m) Potencia al freno (vatios)

Eficiencia

123456789

10

PARTE B

Ensayo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10NPSH

Bibliografía

1. Gooding, Nestor. Manual de prácticas operaciones unitarias. Universidad Nacional de Colombia. 2009.

2. http://www.massengineers.com/Formulas/calculated_brake_horsepower.htm3. http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/palmira/5000117/contenido/cap5/

lec5_2.htm.