bomba desplazamiento positivo
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA IIIMN 464 – A
TITULO:
BOMBA DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
ALUMNOS:
García Campos, Oscar AnthonyNina Ochoa, Carlos Javier
PROFESOR:
Ing. Páez Apolinario
PERIODO ACADÉMICO:
2010 – II
OBJETIVO
- Conocer el funcionamiento de una bomba reciprocarte, midiendo los parámetros que
lo caracterizan.
- Comparar la variación de los valores de Q, nT, WHP, BHP, nV con la altura de la
bomba.
FUNDAMENTO TEORICO
1. BOMBAS RECIPROCANTES
Las bombas reciprocantes son unidades de desplazamiento positivo descargan
una cantidad de líquido durante el movimiento del pistón a través de la distancia de
carrera. Sin embargo, no todo el líquido llega necesariamente al tubo de descarga
debido a escapes o arreglo de pasos de alivio que puedan evitarlo. Despreciando éstos,
el volumen del líquido desplazado en una carrera del pistón o émbolo es igual al
producto del área del pistón por la longitud de la carrera.
2. TIPOS DE BOMBAS RECIPROCANTES
Existen básicamente dos tipos de bombas reciprocantes las de acción directa,
movidas por vapor y las bombas de potencia. Pero existen muchas modificaciones de
los diseños básicos, construidas para servicios específicos en diferentes campos.
Algunas se clasifican como bombas rotatorias por los fabricantes, aunque en realidad
utilizan el movimiento reciprocante de pistones o émbolos para asegurar la acción de
bombeo.
2.1 Bombas de Acción Directa.- En este tipo, una varilla común de pistón conecta un
pistón de vapor y uno de líquido. Las bombas de acción directa se construyen,
simplex (un pistón de vapor y un pistón de líquido, respectivamente) y duplex (dos
pistones de vapor y dos de líquido). Los extremos compuestos y de triple expansión,
que fueron usados en alguna época no se fabrican ya como unidades normales.
Las bombas de acción directa horizontales simplex, han sido por mucho tiempo muy
apreciadas para diferentes servicios, incluyendo alimentación de calderas en
presiones de bajas a medianas, manejo de lodos, bombeo de aceite y agua, y muchos
otros. Se caracterizan por la facilidad de ajuste de columna, velocidad y capacidad.
Tienen buena eficiencia a lo largo de una extensa región de capacidades. Las
bombas de émbolo se usan generalmente para presiones más altas que los tipos de
pistón. Al igual que todas las bombas reciprocantes, las unidades de acción directa
tienen un flujo de descarga pulsante.
Eficiencias Aproximadas % de Bombas de Acción Aplicada
Carrera mm....
Bomba de manivela y volante
Bomba de pistón
Bomba de alta presión
127
60
55
203
70
64
254
74
67
508
87
84
76
762
88
86
78
1,016
90
88
80
1,270
92
90
81
2.2 Bombas de Potencia. Estas tienen un cigüeñal movido por una fuente externa –
generalmente un motor eléctrico - , banda o cadena. Frecuentemente se usan
engranes entre el motor y el cigüeñal, para reducir la velocidad de salida del
elemento motor.
Cuando se mueve a velocidad constante, las bombas de potencia proporcionan un
gasto casi constante para una amplia variación de columna, y tienen buena
eficiencia.
Eficiencias Aproximadas % de Bombas de Acción Aplicada
Hp de agua .....
Eficiencia, %
3
55
5
65
10
72
20
77
30
80
50
83
75
85
100
86
200
88
El extremo líquido, que puede ser del tipo de pistón o émbolo, desarrollará una
presión elevada cuando se cierra la válvula de descarga. Por esta razón, es práctica
común el proporcionar una válvula de alivio para descarga, con objeto de proteger la
bomba y su tubería. Las bombas de acción directa, se detienen cuando la fuerza total
en el pistón del agua iguala a la del pistón de vapor; las bombas de potencia
desarrollan una presión muy elevada antes de detenerse. La presión de parado es
varias veces la presión de descarga normal de las bombas de potencia.
Las bombas de potencia se encuentran particularmente bien adaptadas para servicios
de alta presión y tienen algunos usos en la alimentación de calderas, bombeo en
líneas de tuberías, proceso de petróleos y aplicaciones similares.
Las bombas de potencia del tipo manivela volante en los primeros diseños eran
generalmente movidas por vapor. En el presente, sin embargo es más común el
movimiento por motor eléctrico o de combustión interna debido a que este arreglada
una instalación más económica y compacta y requiere menos mantenimiento. Las
bombas de potencia del tipo émbolo de alta presión puede ser horizontales o
verticales. Generalmente se usan para prensas hidráulicas, procesos de petróleos y
servicios similares. Sin embargo, hay otros diseños que también encuentran uso para
los mismos servicios. Muestra una bomba de potencia del tipo de pistón. Las
bombas de potencia de alta presión son generalmente verticales pero también se
construyen unidades horizontales.
2.3 Bombas del tipo Potencia de Baja Capacidad. Estas unidades se conocen también
como bombas de capacidad variable, volumen controlado y de “proporción”. Su uso
principal es para controlar el flujo de pequeñas cantidades de líquido para alimentar
calderas, equipos de proceso y unidades similares. Como tales ocupan un lugar muy
importante en muchas operaciones industriales en todo tipo de planta.
La capacidad de estas bombas puede variarse cambiando la longitud de la carrera.
2.4 Bombas del Tipo de Diafragma. La bomba combinada de diafragma y pistón en
generalmente se usa sólo para capacidades pequeñas. Las bombas de diafragma se
usan para gastos elevados de líquidos, ya sea claros o conteniendo sólidos. También
son apropiados para pulpas gruesas, drenajes, lodos, soluciones ácidas y alcalinas,
así como mezclas de agua con sólidos que puedan ocasionar erosión. Un diafragma
de material flexible no metálico, puede soportar mejor la acción corrosiva o erosiva
que las partes metálicas de algunas bombas reciprocantes.
2.5 Otros Diseños. Existen también un gran número de otros tipos de bombas
reciprocantes, diseñadas para servicios especializados. Muchas se usan en sistemas
hidráulicos industriales, de lubricación, de manejo de químicos, y similares. Su
capacidad y presión de descarga varían con la aplicación para la que se haya
diseñado la unidad.
3. CARACTERISTICAS DE LAS BOMBAS RECIPROCANTES
El flujo de descarga de las bombas centrífugas y de la mayor parte de las bombas
rotatorias es continua. Pero en las bombas reciprocantes el flujo pulsa, dependiendo del
carácter de la pulsación del tipo de bomba y de que ésta tenga o no una cámara de
colchón.
3.1 Bombas de Acción Directa Simplex. Las bombas de vapor que operan a velocidad
normal tienen una curva de descarga como la que se muestra en la figura 1. el flujo
es constante hasta el final de la carrera, en donde el pistón del líquido se detiene y
regresa. Sin una cámara de colchón, el flujo teóricamente cesa cuando el pistón se
detiene. Sin embargo, una cámara de aire evita esto, dando las características
mostradas. Las bombas de acción directa duplex de vapor tienen generalmente la
descarga de un cilindro desplazada media carrera con respecto a la del otro. Los dos
se juntan para dar la línea continua en la figura 2 que tiene el doble de depresiones
que la bomba simple, pero los puntos de las depresiones nunca se encuentran más
abajo que los de una bomba de acción directa simplex.
3.2 Bombas de potencia. Las curvas de descarga para las bombas de potencia toman la
forma de ondas senoidales, debido a que los pistones o émbolos están movidos por
manivela. El flujo de descarga no cambia en forma tan pronunciada como en las
bombas de acción directa. Las bombas de potencia simplex de doble acción,
correspondientes a las curvas de la figura 3, tiene un gasto máximo de 60 por ciento
mayor que su gasto medio. El flujo mínimo se encuentra 100 por ciento abajo del
flujo medio. Esto significa que en algún punto durante cada cielo de bombas, el
flujo de la bomba es cero. Pero el flujo de la línea de descarga puede ser
prácticamente constante, dependiendo del diseño de la tubería y de la cantidad y
clase de capacidad de colchón que se usa.
La bomba duplex, de doble acción, cuya curva está mostrada en la figura 4 tiene un
gasto máximo de 26.7 por ciento arriba de su flujo medio; el mínimo es 21.6 por
ciento abajo del medio. Luego, siempre hay flujo en el tubo de descarga cuando la
bomba está operando. Una bomba triplex de acción simple contribuye aún más a
emparejar la curva de descarga. El gasto máximo para esta unidad es de 6.64 por
ciento arriba del medio; el mínimo es de 18.4 por ciento abajo. Con cualquier
bomba reciprocante, la diferencia entre la descarga máxima y la media se almacena
en la cámara de colchón hasta que la descarga es menor que la media.
Las bombas de potencia quintuplex y sextuplax empalman aún más la curva de
descarga, hasta dar una característica prácticamente constante de flujo de descarga.
Sin embargo, la mejor forma de jugar la característica de una curva de descarga es
la aplicación misma. Las pulsaciones amplias pueden ser de importancia secundaria
en una instalación, mientras que en otra pueden ser una consideración importante.
El diseño de bombas, ángulo de manivela, así como otros muchos factores,
cambiarán el flujo de una unidad con respecto a otra. Los valores dados, sin
embargo, representan las prácticas corrientes y la variación de un fabricante a otro
no es generalmente muy grande.
3.3 Bombas de Baja Capacidad del Tipo de Potencia. Hasta cierto punto, estas
unidades se asemejan a sus contrapartes más grandes por lo que respecta a la curva
de descarga. Pero el hecho de que la mayor parte de estas unidades sean bombas de
capacidad variable, altera notablemente la apariencia de las curvas. La fig. siguiente
muestra una serie de curvas de descarga para unidades de capacidad variable
típicas.
Una bomba simplex de acción simple tiene un flujo pulsante como se muestra en la
fig. 6 sin descarga durante la carrera de succión. Cuando la capacidad disminuye, la
curva del tipo senoidal se aplana, como se muestra. Los diseños duplex de acción
simple proporcionan el doble de líquido y tienen curvas de descarga similares a las
unidades simplex. Fig. 7. Cuando un pistón cesa de entregar líquido el otro
comienza si los pistones están desplazados 180 grados según muestra la figura. De
manera que no hay períodos prolongados en los que el flujo de la bomba sea cero.
Cuando se desea un gasto constante sin pulsaciones, puede obtenerse una curva de
descarga como la mostrada en la fig. 8 usando una bomba de diseño especial para
este servicio. Nótese como la curva es perfectamente plana, independientemente de
que la bomba trabaje a media carrera, carrera completa, o cualquier otro punto de
ajuste.
Nuevamente, es importante recordar que la curva de descarga de una bomba
reciprocante no nos da una medida de su eficiencia, sino simplemente una
representación gráfica de lo que sucede en la descarga de la bomba. La medida final
de la importancia de la forma de la curva, es el requisito de trabajo para el flujo del
líquido en la línea.
Capacidad y velocidad.
Igual que otras bombas, las bombas reciprocantes no succionan los líquidos.
Reducen solamente la presión en la cámara de succión y la presión externa,
generalmente la atmosférica, empuja el líquido en la bomba. Para cualquier bomba con
una línea de succión de tamaño dado, la capacidad o velocidad máxima viene fijada por
la columna de succión neta positiva (cspn)
Conforme aumenta la velocidad en una bomba reciprocante, aumenta su
capacidad, siempre y cuando no haya nada que interfiera con el gasto hacia adentro o
hacia fuera de la bomba.
En años recientes las velocidades de las bombas de potencia han aumentado
notablemente para ciertas aplicaciones específicas. Sin embargo, aún se encuentran en
la etapa experimental algunas unidades de altas velocidades para aplicaciones generales
en la industria. Parece ser que pasará algún tiempo antes de que los problemas
relacionados a válvulas de lñiquidos, etc, sean satisfactoriamente resueltos.
Viscosidad del Líquido y Temperatura del Agua. Ambas variables afectan la
velocidad y capacidad máxima de la bomba.
Viscosidad del
líquido SSU...
Reducción de
velocidad % ...
Temperatura del
agua, ºC...
Reducción de
velocidad % ...
250
0
21
0
500
4
27
9
1 000
11
38
18
2 000
20
52
25
3000
30
66
34
4000
30
93
34
5000
35
121
38
Así, conforme la viscosidad del líquido cambia de 250 a 5000 SSU la velocidad
de la bomba disminuye de la normal hasta un 65 por ciento de su valor. Conforme la
temperatura aumenta de 21 a 121ºC, se tiene una disminución de velocidad de 62 por
ciento de la normal. Los semisólidos, tales como lodos de ácidos, melazas y jarabes, se
manejan en bombas reciprocantes diseñadas para operar sin válvula de succión. Pueden
usarse válvulas del tipo de disco o de bala para la descarga de estas unidades.
Cuando se considera una bomba determinada, debe comprobarse con el
fabricante para determinar los efectos exactos de viscosidad, cspm, temperatura y
diseño sobre la capacidad. Las generalizaciones que se han dado antes, aun cuando son
guías útiles, no deben usarse como fuente única. La Tabla anterior condensa los factores
de corrección de velocidad para viscosidad y temperatura, recomendados por el Instituto
de Hidráulica. Para usarlos, simplemente multipliquese la velocidad normal por el
porcentaje de reducción, expresado decimalmente.
Empaques de Pistón y varilla. Cualquier material que se use para controlar el
escape de líquido entre una parte movible y otra estacionaria en una bomba se llama en
términos generales, empaque. Siendo flexible y generalmente de material suave, es fácil
de substituir.
La caja simple de empaque, la varilla pistón tiene varios anillos de empaque de
sección cuadrada. En varillas de pistón pequeñas, se tiene una sola tuerca alrededor del
empaque, en lugar de los tornillos mostrados. Las bombas de émbolo grandes, para
manejar líquidos a altas temperaturas, también están provistas de émbolos huecos a
través de los cuales circula continuamente el agua de enfriamiento.
Válvulas de Extremo Líquido. Como regla general, en las bombas de baja
presión se usan válvulas de disco con protuberancias usadas como guías. Para presiones
moderadas, estas guías son del tipo de ala (con caras planas biseladas) y para altas
presiones, se usan válvulas con guías de ala y caras biseladas. Sin embargo, influye
mucho el líquido que se maneja como diseño de la bomba, etc.
La válvula de disco plano tiene costillas inclinada en su asiento para dirigir el
líquido, de manera que gira ligeramente el disco en cada carrera. Esto iguala el desgaste
del disco. Las válvulas de bala se usan frecuentemente cuando se desea una abertura
libre para succión del líquido y descarga. Las jaulas guían las balas durante su
elevación y caída. Los asientos son circulares y completamente abiertos. La válvula con
ala de guía para líquidos corrosivos y espesos, puede proveerse con inserciones de hule
renovable para las alas.
La válvula de baja presión y la de alta presión para líquidos gruesos, son de
acero de aleación con inserciones sintéticas para servicios ordinarios. Cuando se
encuentran líquidos corrosivos se usan materiales especiales. Las válvulas anulares de
doble puerto son muy populares en bombas de grande potencia.
Medios para variar la Capacidad. Existe una infinidad de medios para variar
la capacidad de las bombas reciprocantes pequeñas. Anteriormente se han descrito
algunos de ellos. Sin embargo, para bombas de grande potencias, no existen tantas
variaciones. Quizás se debe a que hay menos variaciones en los diseños de bombas
reciprocantes.
El descargador de la válvula de succión da una reducción rápida pero gradual en
el líquido entregado desde gasto máximo a gasto cero, en no más de una revolución de
la bomba. El aumento se hace en la misma forma, y es accionado neumáticamente.
Clasificaciones de Bomba de Potencia. El Instituto de Hidráulica clasifica las
bombas de potencia como simples, duplex, triplex, múltiplex, horizontales y verticales.
Se usan cuatro clasificaciones de materiales en el Instituto, para las bombas de potencia.
Las bombas con aditamentos de bronce (símbolo BF) están formadas de varillas de
pistón de bronce (excepto el extremo del empaque del émbolo) émbolos o pistones de
hierro para líquido, válvulas para líquido de bronce o hule, asientos de válvulas de
líquido, protectores o resortes de bronce, cilindros de hierro o acero para líquido. Las
bombas del empaque de pistón BF incluyen cilindros para líquido encamisados en
bronce, incluyen también cuellos y empaques del émbolo encamisados en bronce. Loas
bombas totalmente con aditamentos de bronce (símbolos FBF) constan de varillas de
pistones en bronce (excepto los extremos empacados del émbolo) pistones de líquido o
émbolos de bronce, válvulas de bronce o hule para el líquido, asientos de válvulas del
líquido, protectores y resortes de bronce, cilindros de hierro o acero para líquido. Las
bombas FBF de pistón, incluyen cilindros recubiertos de bronce para líquido, mientras
que las bombas FBF de embolo, requieren empaques y cuellos del émbolo, encamisados
en bronce.
Las bombas resistentes al ácido (símbolo AR) tienen todas aquellas partes que
entran en contacto con el líquido, hechas de materiales resistentes a la corrosión, con
propiedades adecuadas para la aplicación específica. Las bombas todas de bronce
(símbolo AB) tienen todas aquellas partes que entran en contacto directo con el líquido
hechas en bronce. Las bombas todas de hierro (símbolo AI) tienen todas las partes que
entran en contacto con el líquido hechas de material ferroso.
PROCEDIMIENTO
- Prender el motor asegurándose de que las válvulas de succión y descarga abierto, en
esta posición se mide el caudal máximo que genera la bomba.
- Variar la presión de descarga de 0 a 150 pies de H2O, y medir la presión de succión
en pulgada de mercurio.
- Medir las alturas en el tubo de Reynold, las revoluciones en un minuto para obtener
las RPM.
- Tabular los datos y graficar los datos pedidos.
-
EQUIPOS UTILIZADOS
Manometros
Motor electrico (de alta y baja)
Bomba de desplzamiento positivo
Tablero con variador de velocidad
SIMBOLOGIA
H : altura neta [pies H2O]
Q : flujo volumétrico [pies3/h]
Qb : flujo volumétrico de barrido [pies3/h]
W : fuerza del dinamómetro [kg.]
L : longitud del brazo [pulg]
N : revoluciones por minutos [RPM]
: densidad del H2O [kg/m3]
m : flujo másico [lb/h]
FORMULAS EMPLEADAS
1. Potencia al suministrada al agua
; donde: Q : flujo de agua [lb/h]
H : altura total [pies]
2. Potencia entregada al eje de la bomba
; donde:
W:fuerza media a la balanza del resorte [lb]L : Brazo de palanca : 7.002 pulg.N : RPM
3. eficiencia de la bomba y transmisión
4. volumen barrido Considerando una bomaba de doble efecto.
[pies3/h]
VolBarrido = 0.0438x N (pie3/h)
N : RPM
5. eficiencia volumétrica
TABLA DE DATOS Y CÁLCULO
N = 400 RPM
P1(bar) P2(bar) V(voltios) A(amp) ∆Hg(cm) Vol(m^3) t(seg) N(RPM) COSΦ0 1 83 4.6 110 0.02074 18.28 400 0.80 2 85 5.1 106 0.02074 19.02 399 0.80 3 87 5.9 84 0.02074 19.15 401 0.80 4 90 7.1 68 0.02074 21.84 400 0.8
N = 450 RPM
P1(bar) P2(bar) V(voltios) A(amp) ∆Hg(cm) Vol(m^3) t(seg) N(RPM) COSΦ0 1 90 4.6 132 0.02074 18.28 450 0.80 2 92 5.1 108 0.02074 19.02 451 0.80 3 94 5.8 94 0.02074 19.15 452 0.80 4 99 7.5 72 0.02074 21.84 448 0.8
N = 500 RPM
P1(bar) P2(bar) V(voltios) A(amp) ∆Hg(cm) Vol(m^3) t(seg) N(RPM) COSΦ0 1 100 4.6 164 0.02074 18.28 450 0.80 2 102 5 144 0.02074 19.02 451 0.80 3 104 5.9 114 0.02074 19.15 452 0.80 4 107 7 98 0.02074 21.84 448 0.8
N = 600 RPM
P1(bar) P2(bar) V(voltios) A(amp) ∆Hg(cm) Vol(m^3) t(seg) N(RPM) COSΦ0 1 117 4.6 212 0.02074 18.28 450 0.80 2 119 5.1 184 0.02074 19.02 451 0.80 3 121 5.7 164 0.02074 19.15 452 0.80 4 126 7.9 128 0.02074 21.84 448 0.8
CALCULOS
N = 400 RPM
Pot Hidraulica P(bar) Q(m^3/s)
Pot Electrica n(%) ∆Hg(m) Q teorico
n volumetrica
113.457 1 0.001135 529.038 21.4 1.1 0.0012 0.95218.086 2 0.001090 600.675 36.3 1.06 0.0012 0.91324.909 3 0.001083 711.249 45.7 0.84 0.0012 0.90379.853 4 0.000950 885.424 42.9 0.68 0.0012 0.79
N = 450 RPM
Pot Hidraulica P(bar) Q(m^3/s)
Pot Electrica n(%) ∆Hg(m) Q teorico
n volumetrica
113.457 1 0.001135 573.655 19.8 1.32 0.0012 0.95218.086 2 0.001090 650.143 33.5 1.08 0.0012 0.91324.909 3 0.001083 755.451 43.0 0.94 0.0012 0.90379.853 4 0.000950 1028.838 36.9 0.72 0.0012 0.79
N = 500 RPM
Pot Hidraulica P(bar) Q(m^3/s)
Pot Electrica n(%) ∆Hg(m) Q teorico
n volumetrica
113.457 1 0.001135 637.395 17.8 1.64 0.0012 0.95218.086 2 0.001090 706.677 30.9 1.44 0.0012 0.91324.909 3 0.001083 850.229 38.2 1.14 0.0012 0.90379.853 4 0.000950 1037.845 36.6 0.98 0.0012 0.79
N = 600 RPM
Pot Hidraulica P(bar) Q(m^3/s)
Pot Electrica n(%) ∆Hg(m) Q teorico
n volumetrica
113.457 1 0.001135 745.752 15.2 2.12 0.0012 0.95218.086 2 0.001090 840.945 25.9 1.84 0.0012 0.91324.909 3 0.001083 955.676 34.0 1.64 0.0012 0.90379.853 4 0.000950 1379.267 27.5 1.28 0.0012 0.79
GRAFICAS
N = 400 RPM
N = 450 RPM
N = 500 RPM
N = 600 RPM
CONCLUSIONES
• La altura de aspiración en la bomba es producto de la depresión que existe en la boca de aspiración
con relación a la presión sobre la superficie libre del líquido que aspira.
Existen pérdidas volumétricas o de caudal, las mismas que ocurren por las pérdidas de fluido en la
máquina, estas pueden deberse a fugas debidas a los espacios entre partes estáticas y rotativas
.
• El gasto volumétrico en ambos casos disminuye paulatinamente conforme la altura de la bomba
aumenta, esto claro hasta un valor límite a partir del cual la tendencia se invierte, en el momento de
diseñar una posible instalación se debe tener en cuenta estos detalles para poder efectuar una decisión
acertada.
• La eficiencia y la potencia varían de manera inversa, puesto que mientras la eficiencia es alta para
alturas pequeñas, la potencia es relativamente baja en las mismas condiciones.