UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

EXPERIENCIA 1: BOMBA RECIPROCANTE

EXPERIMENTO DIRIGIDO POR: ING. ALFREDO OLIVEROS DONOHUE

TECNOLOGIA DE ENERGIAS RENOVABLES MN627 A

UNIDAD EJECUTORA: GRUPO 1

FECHA DE ENTREGA: 24 DE OCTUBRE DEL 2014.

CHANCATUMA HUAMAN, Jess Eusebio

HUARANCCA SANCHEZ, Wilson

SEGOVIA CHIRINOS, John Mario

20127027C

20001187A

20101176A

2

RESUMEN TECNICO

Las actividades del presente informe se realizaron el da 26 de Setiembre en el

Laboratorio N05 de la Universidad Nacional de Ingeniera en hora: 10 a 12 pm.

El grupo comenz con una demostracin del equipo Bomba reciprocante, para

continuacin comenzar por nosotros mismos la experiencia.

Primero se trabaj en regmenes de alta velocidad, tomando mediciones de: fuerza en

el dinammetro, altura de descarga, velocidad en el cigeal y las presiones registradas

en la entrada y descarga.

Para los regmenes de baja velocidad, se realizaron las mismas mediciones, pero no se

tomaron todos los puntos a evaluar, puesto que la bomba se ahog y empez a vibrar

mucho el generador elctrico y empez a rebasarse el agua de la cmara del piston.

Habiendo calculado en una hoja de clculo de Excel, se evaluaron principalmente, la

eficiencia volumtrica y de la bomba, caudal y potencia al freno, para luego construir

sus curvas en funcin de la altura neta.

3

INTRODUCCION

Las bombas volumtricas o de desplazamiento positivo se caracterizan porque el

caudal que impulsan, a velocidad de accionamiento constante, es sensiblemente

independiente de la presin de descarga. Las variaciones de caudal que puedan

producirse para distintas presiones se debern a las inevitables luces constructivas o a

faltas de estanqueidad en algunos rganos constitutivos.

Se distinguir entre las mquinas de accionamiento reciprocante y las rotativas. En las

primeras un rgano impulsor (un pistn o un diafragma) tiene un movimiento alternativo

provocado mecnicamente. En las segundas hay una o ms piezas con movimiento

rotatorio (rotor) que toma el lquido de un recipiente a baja presin y lo trasvasa a otro

a mayor presin.

Como criterio general, suelen ser usadas para aplicaciones que requieran bajos

caudales y altas o muy altas presiones. A diferencia de las mquinas centrfugas,

pueden trabajar satisfactoriamente con bajas velocidades y en la mayora de los casos

son relativamente insensibles al efecto de la viscosidad del fluido.

Al ser el caudal independiente de la presin de descarga, en su instalacin se deber

prever siempre la posibilidad de alivio de presiones excesivas. Suele incorporarse a la

bomba, o en su defecto instalarse exteriormente, una vlvula de alivio que, al superarse

en la caera de impulsin la presin tarada, la comunica o bien con el exterior o, ms

adecuada y frecuentemente, con la caera de admisin.

4

OBJETIVOS

Estudio de la performance de una bomba reciprocante, trabajando a regmenes

de velocidades de 240 rpm y 120 rpm.

5

1. MARCO TERICO

1.1. BOMBAS RECIPROCANTES DE PISTON

Estn constituidas por uno o varios pistones o mbolos que se mueven dentro de un

cilindro con movimiento alternativo de vaivn. Este movimiento alternativo es provocado

por un cigeal, manivela, excntrica o leva giratorios y una biela. Sendas vlvulas de

retencin permiten el ingreso y el egreso del fluido.

Se llama bomba de simple efecto aquella en que por cada revolucin del cigeal hay

una sola carrera til, con uno slo de los extremos del pistn en contacto con el fluido

(vase la Figura 1).

Figura 1. Bomba reciprocante de simple efecto

En una bomba de doble efecto, por cada revolucin del rgano accionador se tienen

dos carreras tiles. Ello se suele lograr con dos lados del pistn en contacto con el fluido

(ver Figura 2). La presencia del vstago disminuye el volumen bombeado en uno de los

efectos y requiere un sistema de cierre, por empaquetadura o retn o sello adecuado.

Figura 2. Partes constitutivas de una bomba de pistn de doble efecto

6

Otra manera de aumentar el volumen bombeado por revolucin consiste en utilizar

pistones trabajando en paralelo (ver Figura 3), accionadas por un solo motor con un solo

cigeal.

Figura 3. Bomba reciprocante de simple efecto, con tres pistones

1.2. CALCULO DEL CAUDAL

Si se llama = la carrera del mbolo, siendo la excentricidad del cigeal o

manivela, el volumen que desplaza el mbolo de dimetro D en su carrera valdr:

=2

4

Para una bomba de Z cilindros en paralelo, con el cigeal girando a velocidad angular

constante N (revoluciones por unidad de tiempo), el caudal terico ser:

=2

4

Donde = para una bomba con pistones de simple efecto y = si los pistones son

de doble efecto.

7

Habr, en general, fugas de lquido ya sea entre pistn y cilindro o por vlvulas. Por lo

tanto el caudal ser menor:

= 2

4

Donde, < 1 se llama rendimiento volumtrico.

1.3. RENDIMIENTOS

1.3.1. Rendimiento volumtrico

Se producen fugas:

Entre pistn y cilindro

En vlvulas, debido a su cierre no instantneo

En las bombas de doble efecto, entre vstago y su empaquetadura

Sea Q el caudal de estas fugas. Se llama rendimiento volumtrico al cociente:

=

+

Es frecuente que los valores del rendimiento volumtrico sean elevados. A ttulo

informativo, puede suponerse:

Bombas de cuidadosa ejecucin y grandes gastos:

= 0,97 0,98

Bombas de cuidadosa ejecucin y pequeos caudales:

= 0,94 0,96

Bombas de regular ejecucin y pequeos gastos:

= 0,89 0,92

El rendimiento volumtrico es influido notablemente por la temperatura del lquido

(variacin de las luces y, sobre todo, de la viscosidad). Para muy altas temperaturas

puede llegarse incluso a = 0,65 0,70. Las fugas dependen tambin de la presin

8

de trabajo de la bomba: aumentan con sta y por lo tanto disminuye el rendimiento

volumtrico.

1.3.2. Rendimiento hidrulico

Se producen prdidas de carga debido a rozamiento en los conductos y canales

inherentes a la construccin de la bomba, as como en las vlvulas. Se llama

rendimiento hidrulico al cociente entre la altura que se lograra de no existir estas

prdidas y la que realmente logra la mquina.

Se puede estimar:

Bombas de gran tamao y condiciones de escurrimiento favorables:

= 0,95 0,97.

Bombas ms pequeas y diseo no demasiado elaborado:

= 0,85 0,88.

El concepto de rendimiento hidrulico no tiene la misma importancia que para las

bombas centrfugas. En efecto, como el caudal es sensiblemente independiente de las

presiones, estas bombas suelen usarse para grandes presiones; un aumento de la

presin interna debido a un bajo valor de tiene efectos secundarios con frecuencia

despreciables.

1.3.3. Rendimiento mecnico

Se producen prdidas de potencia o prdidas mecnicas debido al rozamiento en

los cojinetes, pernos, rganos de comando y, sobre todo, debido al rozamiento de los

aros, retenes, copas rganos de cierre entre pistn o cilindro. Se llama rendimiento

mecnico al cociente entre la potencia entregada al lquido por el pistn y la

consumida por la bomba en punta de eje. Se puede estimar:

Para bombas directamente acopladas al motor, grandes y de buen diseo y

mantenimiento:

= 0,94 0,96.

Para bombas pequeas y con transmisin por correas o engranajes:

= 0,83 0,86.

9

1.3.4. Rendimiento total

Se llama rendimiento total o simplemente rendimiento al producto:

=

La potencia que requiere la bomba en punta de eje, para entregar a un caudal Q una

altura H valdr, entonces:

= + =

Siendo el peso especfico del lquido.

10

2. EQUIPOS E INSTRUMENTOS UTILIZADOS

01 Banco de pruebas de bomba reciprocante

02 Manmetros para altura de succin y descarga

11

01 Manmetro para medidor de flujo

Sistema de transmisin por correas dentadas

12

Bomba reciprocante

01 Freno elctrico y dinammetro

13

La bomba reciprocante a ensayar consta de los siguientes aparatos:

1. Una bomba de pistn de una solo cilindro tipo horizontal/ y de doble accin. El

dimetro del pistn es de 1 carrera de 1 5/8. Su capacidad nominal es de 360 G.P.H.

con 1,75 pies de altura operando a 240 R.P.M. Hay un recipiente para aire en el lado de

descarga de la bomba.

2. Un motor elctrico de corriente alternada de dos velocidades.

3. La velocidad del motor se toma de un contador de revoluciones y del tiempo de

funcionamiento por medio de un cronmetro.

4. La reduccin de la velocidad del motor a la bomba es de 6:1.

5. Un tanque principal de suministro de agua ensamblado a la base.

6. El agua ingresa a la bomba por medio de una vlvula de control.

7. El agua es entregado por la bomba a travs de una segunda vlvula.

8. Despus de la cual pasa a travs de un medidor de flujo de columna de Reynolds y

luego se regresa al tanque.

9. Dos manmetros para la presin de succin y descarga del agua.

10. Se ha previsto de una vlvula de escape en el circuito de agua para prevenir la

sobrecarga de la bomba.

14

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Llenar el tanque hasta 6 pulgadas por debajo de la parte superior. Abrir ambas

vlvulas de control completo antes de arrancar el motor.

2. Se puede seleccionar cualquiera de las dos velocidades. Con las vlvulas de control

de succin y descarga se puede variar las respectivas alturas de succin y descarga as

como la cantidad de agua entregada.

3. Nunca se debe de poner en funcionamiento el motor mientras no haya flujo de agua

que se pueda observar en el registrador del medidor. En caso contrario se pueden daar

las empaquetaduras del pistn.

4. La presin de descarga es registrada sobre el manmetro en pies de altura de agua.

La presin de succin registrada en el manmetro indica la depresin en pulgadas de

Hg (1 pulg. = 1,133 pies de altura de agua).

5. Los manmetros son instrumentos sensitivos y su cuidado influye mucho en su

precisin. Sus vlvulas deben estar cerradas, excepto cuando se toma las lecturas, y

durante esas lecturas no debe abrirse demasiado como para observar rpidas

fluctuaciones de presin.

6. Es instructivo tomas dos juegos de lecturas en cada velocidad, 240 y 120 R.P.M.

consistente cada juego de ms o menos ocho puntos. La presin de succin permanece

constante en cada juego, siendo tomado uno de cada par con la vlvula de succin

completamente abierta, y a una mnima seccin de resistencia a la bomba; el otro con

la vlvula de succin estrangulando el flujo como para producir una depresin de 20

pies de altura de agua 17.7 pulg. de Hg. En cada serie la presin de entrega debe

regularse progresivamente desde el valor ms bajo con la vlvula de entrega

completamente abierta, hasta un valor alto, digamos de 140 pies de altura.

7. El procedimiento para una prueba individual es como sigue:

Una vez escogida la velocidad, mantener las presiones a los valores dados con

la bomba funcionando permanentemente.

La balanza de resorte debe colocarse de tal manera que el brazo de torque este

nivelado con la marca de lectura fija. Un estudiante debera tomar la lectura del

contador. El debera, despus de advertir al grupo, embragar el contador y al

mismo instante arrancar el cronometro, l debe observar un perodo definitivo

de, digamos dos minutos, y entonces simultneamente desembragar al contador

de revoluciones y detener la marcha del cronometro. Durante este intervalo el

debera continuamente observar las lecturas de balanzas de resorte as como

juzgar el valor medio apropiado de la carga de freno.

15

Un segundo estudiante debera continuamente observar el medidor flujo y un

tercero, los manmetros as como juzgar sus valores medios apropiados. Por su

puesto, uno o varios estudiantes deben, si es necesario cubrir estos deberes.

Las hojas se pruebas deberan prepararse con los siguientes encabezamientos:

Lectura en la balanza del resorte, lbs

Succin, plg de Hg

Descarga, pies de altura

Lectura del medidor de flujo, plg

Lectura del tacmetro, rpm

Una vez realizados los procedimientos antes mencionados, obtuvimos los siguientes

datos de laboratorio:

3.1. ALTA VELOCIDAD (1773 rpm)

Succin: 3 plg Hg

P1

(plg Hg)

P2

(plg H2O)

h

(cm H2O)

N

(rpm)

F

(lbs)

3 20 27.3 1773 1.6

3 35 26 1756 1.7

3 50 24.9 1747 2

3 75 23.3 1740 2.45

3 100 21.7 1730 2.9

3 125 20.3 1725 3.2

Succin: 2 plg Hg

P1

(plg Hg)

P2

(plg H2O)

h

(cm H2O)

N

(rpm)

F

(lbs)

2 25 27 1760 1.9

2 50 25 1750 1.9

2 75 23.4 1740 2.5

2 100 22 1730 3

16

3.2. BAJA VELOCIDAD (895 rpm)

Succin: 2 plg Hg

P1

(plg Hg)

P2

(plg H2O)

h

(cm H2O)

N

(rpm)

F

(lbs)

2 25 3.4 890 1.5

2 15 4 890 1.9

2 10 4.3 888 1.8

Succin: 3 plg Hg

P1

(plg Hg)

P2

(plg H2O)

h

(cm H2O)

N

(rpm)

F

(lbs)

3 10 4 890 1.9

3 20 4 889 2

3 30 3.5 889 2.2

3 40 3.3 890 2.3

17

4. FORMULAS UTILIZADAS

4.1. Potencia suministrada al agua

=

6033000

Q: flujo de agua en lb/hr

H: altura en pies

4.2. Potencia entregada al eje de la bomba

=2

3300012

W: fuerza media a la balanza de resorte en lbs

L: brazo d palanca (7.002 plg)

N: velocidad del motor en rpm

Queda:

=

9000

4.3. Eficiencia de la bomba y transmisin

=

100%

4.4. Altura de succin: Hs pies

4.5. Altura de descarga: Hd pies

4.6. Volumen de agua

=

62.5 3/

18

4.7. Volumen de barrido

=[2

4

(74

)2

4

(7

16)

2

]138

6 60

1728 3/

4.8. Eficiencia volumtrica

=

100%

4.9. Ecuacin de descarga del medidor de flujo

= 112.20.5 /

h: en pulgadas

5. ANALISIS DE RESULTADOS

5.1. PARA ALTA VELOCIDAD

P1

(plg

Hg)

P2

(plg

H2O)

h

(cm

H2O)

N

(rpm)

F

(lbs)

Q

(gal/h) Vagua Vbarrido nv

BHP

1

BHP

2

H

(altura

total)

Q

terico Q real WHP

n bomba

1

n bomba

2

3 20 27.3 1773 1.6 367.84 5.89 12.95 45.45% 0.053 0.100 5.065 8679.52 3944.560 0.0101 19.21% 10.06%

3 35 26 1756 1.7 358.97 5.74 12.83 44.78% 0.055 0.106 6.315 10821.38 4845.905 0.0155 27.96% 14.64%

3 50 24.9 1747 2 351.30 5.62 12.76 44.05% 0.065 0.124 7.565 12963.23 5710.188 0.0218 33.72% 17.66%

3 75 23.3 1740 2.45 339.82 5.44 12.71 42.78% 0.079 0.151 9.649 16533.00 7073.112 0.0345 43.66% 22.86%

3 100 21.7 1730 2.9 327.95 5.25 12.64 41.53% 0.093 0.177 11.732 20102.76 8347.754 0.0495 53.24% 27.88%

3 125 20.3 1725 3.2 317.19 5.08 12.60 40.28% 0.102 0.195 13.815 23672.52 9535.285 0.0665 65.09% 34.08%

P1

(plg

Hg)

P2

(plg

H2O)

h

(cm

H2O)

N

(rpm)

F

(lbs)

Q

(gal/h) Vagua Vbarrido nv

BHP

1

BHP

2

H

(altura

total)

Q

terico Q real WHP

n bomba

1

n bomba

2

2 25 27 1760 1.9 365.81 5.85 12.86 45.53% 0.372 0.118 4.349 7452.23 3393.017 0.0075 2.01% 6.30%

2 50 25 1750 1.9 352.00 5.63 12.78 44.06% 0.369 0.118 6.433 11022.00 4856.490 0.0158 4.27% 13.42%

2 75 23.4 1740 2.5 340.55 5.45 12.71 42.87% 0.483 0.154 8.516 14591.76 6255.998 0.0269 5.57% 17.49%

2 100 22 1730 3 330.21 5.28 12.64 41.81% 0.577 0.184 10.599 18161.52 7593.600 0.0406 7.05% 22.15%

20

5.2. PARA BAJA VELOCIDAD

P1

(plg

Hg)

P2

(plg

H2O)

h

(cm

H2O)

N

(rpm)

F

(lbs)

Q

(gal/h) Vagua Vbarrido nv

BHP

1

BHP

2

H

(altura

total)

Q

terico Q real WHP

n bomba

1

n bomba

2

2 25 3.4 890 1.5 129.81 2.08 6.50 31.95% 0.148 0.047 4.349 7452.23 2381.038 0.0052 3.53% 11.08%

2 15 4 890 1.9 140.80 2.25 6.50 34.66% 0.188 0.060 3.516 6024.33 2087.753 0.0037 1.97% 6.20%

2 10 4.3 888 1.8 145.99 2.34 6.49 36.01% 0.178 0.057 3.099 5310.38 1912.392 0.0030 1.69% 5.30%

P1

(plg

Hg)

P2

(plg

H2O)

h

(cm

H2O)

N

(rpm)

F

(lbs)

Q

(gal/h) Vagua Vbarrido nv

BHP

1

BHP

2

H

(altura

total)

Q

terico Q real WHP

n bomba

1

n bomba

2

3 10 4 890 1.9 140.80 2.25 6.50 34.66% 0.188 0.060 4.232 7251.61 2513.072 0.0054 2.86% 8.98%

3 20 4 889 2 140.80 2.25 6.49 34.69% 0.198 0.063 5.065 8679.52 3011.301 0.0077 3.90% 12.25%

3 30 3.5 889 2.2 131.71 2.11 6.49 32.45% 0.217 0.069 5.899 10107.42 3280.220 0.0098 4.50% 14.13%

3 40 3.3 890 2.3 127.89 2.05 6.50 31.48% 0.227 0.072 6.732 11535.33 3631.008 0.0123 5.43% 17.05%

6. ANALISIS DE GRAFICAS

6.1. Eficiencia volumtrica vs Altura neta

6.2. Eficiencia de la bomba vs Altura neta

20.00%

25.00%

30.00%

35.00%

40.00%

45.00%

50.00%

0.000 5.000 10.000 15.000

Efic

ien

cia

volu

met

rica

(%)

H neto (pie agua)

nv vs Hneto

nv vs Hneto (alta velocidad3plg Hg)

nv vs Hneto (alta velocidad2plg Hg)

nv vs Hneto (bajavelocidad 2plg Hg)

nv vs Hneto (bajavelocidad 3plg Hg)

Lineal (nv vs Hneto (altavelocidad 3plg Hg))

Polinmica (nv vs Hneto(alta velocidad 2plg Hg))

Polinmica (nv vs Hneto(baja velocidad 2plg Hg))

0.00%

5.00%

10.00%

15.00%

20.00%

25.00%

30.00%

35.00%

40.00%

0.000 5.000 10.000 15.000

n b

om

ba

Hneto

nbomba vs Hneto

nbomba vs Hneto (altavelocidad 3plg Hg)

nbomba vs Hneto (altavelocidad 2plg Hg)

nbomba vs Hneto (bajavelocidad 2plg Hg)

nbomba vs Hneto (bajavelocidad 3plg Hg)

Lineal (nbomba vs Hneto(alta velocidad 3plg Hg))

22

6.3. Potencia al freno vs Altura neta

6.4. Caudal vs Altura neta

0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

0.000 5.000 10.000 15.000

Po

ten

cia

al f

ren

o (B

HP

)

Hneto (pie agua)

BHP vs Hneto

BHP vs Hneto (altavelocidad 3plg Hg)

BHP vs Hneto (altavelocidad 2plg Hg)

BHP vs Hneto (bajavelocidad 2plg Hg)

BHP vs Hneto (bajavelocidad 3 plg Hg)

Lineal (BHP vs Hneto (altavelocidad 3plg Hg))

Lineal (BHP vs Hneto (altavelocidad 2plg Hg))

Lineal (BHP vs Hneto (bajavelocidad 2plg Hg))

0.000

2000.000

4000.000

6000.000

8000.000

10000.000

12000.000

0.000 5.000 10.000 15.000

Cau

dal

(lb

s/h

ora

)

Hneto 8pies agua)

Caudal vs Hneto

Caudal vs Hneto (altavelocidad 3plg Hg)

Caudal vs Hneto (altavelocidad 2plg Hg)

Caudal vs Hneto (bajavelocidad 2plg Hg)

Caudal vs Hneto (bajavelocidad 3plg Hg)

Lineal (Caudal vs Hneto(alta velocidad 3plg Hg))

Lineal (Caudal vs Hneto(alta velocidad 2plg Hg))

Lineal (Caudal vs Hneto(baja velocidad 2plg Hg))

23

OBSERVACIONES

Durante la experiencia, al momento de la baja presin, la bomba reciprocante se

ahog, por lo cual no se pudo realizar todos los puntos a evaluar en las grficas,

es por esto que algunas graficas no terminan de construirse, pero la

extrapolacin en Excel demuestra que si tienen las formas caractersticas.

En la ficha entregada en clase, la frmula para calcular la potencia al freno, est

dada de dos formas, las cuales se suponan que eran simplificaciones, pero al

momento de realizar los clculos, estas frmulas difieren, es por esto que solo

se aplic a las grficas la frmula simplificada:

=

9000

24

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

1. Las mayores eficiencias volumtricas se obtuvieron en los regmenes de alta

velocidad alcanzndose eficiencias volumtricas de 45%, esto era de esperarse,

debido que a mayor velocidad entra mayor cantidad de agua a la cmara adems

hay menos fugas entre la cmara y el pistn.

2. Para la eficiencia de la bomba se obtuvo la mayor eficiencia de 35% a 3 plg Hg

en el rgimen de alta velocidad, para regmenes de baja velocidad se obtienen

eficiencias muy bajas, esto debido a que en bajas cargas como hay mucho

torque, el rozamiento se incrementa considerablemente aumentando las

perdidas en la bomba.

3. Para la potencia al freno, en los regmenes de alta velocidad se obtienen las

mayores potencias a la menor presin de 2 plg Hg y se obtiene la tendencia

lineal creciente esperada, pero en la grfica del rgimen de baja velocidad, para

2 plg Hg la curva no sigue la tendencia lineal creciente, ms bien decrece, esto

representa el ahogamiento que ocurri durante la experiencia.

4. Como era de esperarse, se obtuvieron los mayores caudales en el rgimen de

alta velocidad, lo cual nos hace pensar que es mejor siempre trabajar en altas

velocidades, esto no siempre es cierto, ya que para bajas cargas obtenemos

mucha fuerza en el pistn y no se necesitan de velocidades muy altas para barrer

la cmara de la bomba reciprocante.