U.N.A.M.

Facultad de Estudios Superiores de Aragón.

Laboratorio de Mecánica de Fluidos.

Práctica numero 6: “Bomba de pistón.”

Alumno: Fernández Cano Veronico David Ricardo.

Número de cuenta: 41205778-6.

Fecha de realización: 25/03/2014.

Fecha de entrega: 01/04/2014.

Calificación:

Objetivos.1. Determinar las curvas características por medio de la relación existente entre la potencia

de entrada, potencia de útil, rendimiento mecánico, rendimiento volumétrico, carga dinámica total y el gasto de una bomba de pistón de doble efecto, a dos velocidades diferentes.

2. Demostrar el efecto de cavitación.

Introducción.

Clasificación de las bombas de pistón.

Bombas de pistón radial: Los pistones se deslizan radialmente dentro del cuerpo de la bomba que gira alrededor de una flecha.

Bombas de pistón axial: Los pistones se mueven dentro y fuera sobre un plano paralelo al eje de la flecha impulsora.

Bombas de pistón de barril angular (Vickers): Las cargas para impulsión de la bomba y las cargas de empuje por la acción del bombeo van soportadas por tres cojinetes de bolas de hilera simple y un cojinete de bolas de hilera doble. Este diseño de bomba se ocupa en la industria aeronáutica.

Bombas de pistón de placa de empuje angular (Denison): Este tipo de bombas incorpora zapatas de pistón que se deslizan sobre la placa de empuje angular o de leva. La falta de lubricación causará desgaste.

Las bombas neumáticas de pistón.

Las bombas neumáticas de pistón están compuestas de un motor de aire y de una estructura definida “grupo de bombeo”. Las partes fundamentales del motor neumático son el pistón y el dispositivo de válvulas. Este permite la inversión automática del movimiento del pistón. El caudal de una bomba de pistón depende de la cantidad de material que suministra en cada ciclo.

Estas bombas de pistón funcionan acopladas a un motor neumático alternativo accionado con aire. El movimiento alternativo se repite indefinidamente

mientras esté conectado el suministro de aire, independientemente de si la bomba está alimentada con líquido o no.

1. Varilla en posición inferior.

2. Se produce la apertura de la válvula de succión y el llenado de la bomba. Simultáneamente, por el cierre de la válvula de la varilla, es desalojado el producto que se encuentra sobre el sello del émbolo.

3. Varilla en posición superior.

4. Por la acción de la varilla, que se desplaza hacia abajo, se produce la apertura de la válvula del émbolo y el cierre de la válvula de succión, desalojándose producto por la salida en un volumen igual al ocupado por la varilla.

5. Varilla en posición inferior.

Bomba de Pistones en ángulo . Estas bombas son una variante de las bombas de pistones con placa inclinada. En este caso el eje tambor forma un ángulo de unos 25º con el cuerpo de la bomba, lo que provoca el mismo efecto que en el caso de las bombas con placa inclinada. Los pistones están fijados a la brida del eje mediante juntas esféricas. Al girar los pistones entran o salen de sus alojamientos según varía la distancia entre el tambor y la brida. Algunas ejecuciones permiten variar este ángulo y con ello el caudal.

Bombas de Pistones oscilantes.Al igual que un motor de explosión, los pistones se mueven en un sentido lineal dentro de su correspondiente cilindro por el esfuerzo transmitido por un cigüeñal, una excentricidad del eje o un plato. En el motor de explosión el cigüeñal lógicamente es el eje de salida, en la bomba es el eje primario por el que recibe la energía, mediante motores eléctricos habitualmente, y los pistones del motor son los que en la bomba generarían la presión y el caudal. Para controlar el flujo del

fluido hidráulico son necesarias válvulas antirretorno en los conductos de admisión e impulsión.Estas bombas tienen como ventajas que ofrecen un sistema de estanqueidad mucho mejor entre la entrada y la salida, además que en estas bombas la lubricación de las partes móviles puede hacerse con un fluido distinto al bombeado.

En ellas el conjunto de los cilindros y el eje de accionamiento tienen la misma línea central y los pistones se mueven alternativamente en sentido paralelo al eje. El tipo más sencillo se muestra en la figura:

El eje de accionamiento hace girar el barrilete, conteniendo los pistones, que están ajustados en sus alojamientos y conectados mediante patines y un anillo inclinado, de forma que los patines están apoyados sobre una placa circular inclinada.

Las bombas de pistones son muy eficaces ya que sirven para desplazamientos pequeños hasta muy elevados. La mayoría de ellas puede funcionar con presiones entre 105 y 210 kp/cm2, pudiendo llegar a presiones mucho más altas.

Desarrollo de la práctica.

1. Poner en marcha el motor eléctrico.2. Fijar un valor de presión en la succión.3. Cerrar lentamente la válvula de descarga hasta obtener un valor deseado.4. Tomar las lecturas de presiones en la succión y de descarga.5. Ajustar el dinamómetro de modo que el puntero del brazo coincida con el puntero fijo. Anotar

el valor de la fuerza.6. Tomar la lectura del tacómetro.7. Tomar las lecturas del medidor de flujo (rotámetro).8. Variar la presión de descarga para una nueva lectura mediante la válvula de control y registrar

todas las nuevas lecturas en la tabla correspondiente.

9. Al terminar la serie de toma de lecturas en baja velocidad, se deben abrir las válvulas de succión y de descarga, así como las de aguja y posteriormente detener el motor eléctrico y cambiar de régimen de alta velocidad.

10. Realizar los ajustes para alta velocidad procediendo de la misma forma que se realizo para baja velocidad.

11. Finalizada la toma de lecturas abrir completamente las válvulas de succión y descarga, así como las válvulas de aguja, detener el motor eléctrico y finalizando desconectando la corriente eléctrica.

12. Llenar las tablas obtenidos en cada variación de presión.

Tablas de lecturas.

Tabla 3 de lecturas baja velocidad.# P1 [Pa] P2 [Pa] F [N] N [rev/seg] Q [m^3/seg]

1 1.31 97000 1.5 14.942 0.00021662 1.31 135800 2 14.93 0.00018673 1.31 174600 2.5 14.908 0.0001754 1.31 213400 3 14.9 0.00016675 1.31 252200 3.5 14.9 0.00016336 1.31 281300 4 14.892 0.00015837 1.31 320100 4.5 14.875 0.00014178 1.31 368600 5 14.858 0.000139 1.31 407400 5.5 14.85 0.000125

10 1.31 446200 6 14.842 0.0001183

Tabla 4 de lecturas de alta velocidad.# P1 [Pa] P2 [Pa] F [N] N [rev/seg] Q [m^3/seg]

1 1.31 97000 1.5 29.95 0.0004252 1.31 135800 2 29.7333333

30.000406667

3 1.31 174600 2.5 29.68333333

0.00038

4 1.31 213400 3 29.625 0.000385 1.31 252200 3.5 29.625 0.0003756 1.31 291000 2.5 29.5666666

70.000366667

7 1.31 329800 3 29.55833333

0.000366667

8 1.31 368600 3.5 29.525 0.0003583339 1.31 407400 4 29.5083333

30.00035

10 1.31 446200 4.5 29.44166667

0.000341667

Memoria de cálculos.

Peso especifico de agua.

γ H2O(25℃)=9780N /m3

Presión de

P1=( .01m ) (13.54 kg /m3 ) (9.7m /seg2)=1.31N /m2

Carga de entrada (igual para ambas velocidades).

H 1=1.31N /m2

9780N /m3=1.34×10−4m

H 1=H 2=H 3=…¿H 10

Carga de salida (igual para ambas velocidades).

H 1=97000 Pa

9780N /m3=9.918m

H 2=135800 Pa

9780N /m3=13.885m

H 3=174600 Pa

9780N /m3=17.853m

H 4=213400Pa

9780N /m3=21.82m

H 5=252200 Pa

9780N /m3=25.787m

H 6=291000 Pa

9780N /m3=28.762m

H 7=329800 Pa

9780N /m3=32.73m

H 8=368600 Pa

9780N /m3=37.689m

H 9=407400 Pa

9780N /m3=41.656m

H 10=446200 Pa

9780N /m3=45.624m

Potencia de entrada baja velocidad.

potE1=1.5N (14.942 rev /seg )

.889 rev /m=25.21147357Nm /seg

potE2=2N (14.993 rev /seg )

.889 rev /m=33.58830146Nm/ seg

potE3=2.5N (14.908rev / seg)

.889 rev /m=41.92350956Nm/ seg

potE4=3N (14.9 rev /seg ).889 rev /m

=50.28121485Nm /seg

potE5=3.5N (14.9 rev / seg)

.889 rev /m=58.66141732Nm/ seg

potE6=4 N (14.892 rev /seg )

.889 rev /m=67.0056243Nm/ seg

potE7=4.5N (14.875 rev /seg )

.889 rev/m=75.29527559Nm /seg

potE8=5N (14.858rev / seg )

.889 rev /m=83.56580427Nm /seg

potE9=5.5N (14.85 rev /seg )

.889 rev /m=91.87289089Nm/seg

potE10=6N (14.842 rev /seg )

.889 rev /m=100.1709786Nm/ se g

Potencia de agregada baja velocidad.

potA 1=(97000−1.31 )N /m2×0.0002166m3/ seg=21.00991625watt

potA 2=(135800−1.31 )N /m2×0.0001867m3/seg=25.35361542watt

potA 3=(174600−1.31 )N /m2×0.000175m3/seg=30.55477075watt

potA 4= (213400−1.31 ) N /m2×0.0001667m3/seg=35.57356162watt

potA 5=(252200−1.31 )N /m2×0.0001633m3/seg=41.18404608watt

potA 6=(281300−1.31 )N /m2×0.0001583m3/seg=44.52958263watt

potA 7=(320100−1.31 )N /m2×0.0001417m3/ seg=45.35798437watt

potA 8=(368600−1.31 )N /m2×0.00013m3/seg=47.9178297watt

potA 9=(407400−1.31 ) N /m2×0.000125m3 /seg=50.92483625watt

potA 10=(446200−1.31 )N /m2×0.0001183m3 /seg=52.78530503watt

Eficiencia mecánica de la bomba baja velocidad.

ηm1=21.00991625watt25.21147357Nm /seg

=0.83334741

ηm2=25.35361542watt33.58830146Nm /seg

=0.7548347

ηm3=30.55477075watt41.92350956Nm/seg

=0.72882187

ηm 4=35.57356162watt50.28121485Nm /seg

=0.70749209

ηm5=41.18404608watt58.66141732Nm/ seg

=0.7020636

ηm6=44.52958263watt67.0056243Nm /seg

=0.66456485

ηm7=45.35798437watt75.29527559Nm /seg

=0.60240147

ηm 8=47.9178297watt

83.56580427Nm /seg=0.57341433

ηm 9=50.92483625wa tt91.87289089Nm /seg

=0.55429666

ηm10=52.78530503watt100.1709786Nm/ seg

=0.52695207

Eficiencia volumétrica de la bomba baja velocidad.

ηv1=0.0002166m3/ seg

(14.942 rev /seg ) (0.0001245m3 /rev )=0.11643415

ηv2=0.0001867m3/ seg

(14.993 rev /seg ) (0.0001245m3/rev )=0.10044196

ηv3=0.000175m3/ seg

(14.908 rev /seg ) (0.0001245m3/rev )=0.09428646

ηv 4=0.0001667m3/seg

(14.9 rev /seg ) (0.0001245m3/rev )=0.08986281

ηv5=0.0001633m3/ seg

(14.9 rev /seg ) (0.0001245m3/rev )=0.08802997

ηv6=0.0001583m3/ seg

(14.892 rev /seg ) (0.0001245m3/rev )=0.08538047

ηv7=0.0001417m3 /seg

(14.875 rev /seg ) (0.0001245m3/rev )=0.07651446

ηv 8=0.00013m3 /seg

(14.858 rev / seg) (0.0001245m3/rev )=0.07027707

ηv 9=0.000125m3 /seg

(14.85 rev / seg) (0.0001245m3/rev )=0.06761051

ηv10=0.0001183m3/seg

(14.842 rev /seg ) (0.0001245m3/rev )=0.06402108

Potencia de entrada alta velocidad.

potE1=1.5N (29.95 rev / seg)

.889 rev /m=50.53430821Nm/ seg

potE2=2N (29.73333333 rev /seg )

.889 rev /m=66.89163855Nm/ seg

potE3=2.5N (29.68333333 rev/ seg )

.889 rev /m=83.47394076Nm /seg

potE4=3N (29.625 rev /seg )

.889 rev /m=99.97187852Nm/seg

potE5=3.5N (29.625rev / seg )

.889 rev /m=116.6338583Nm /seg

potE6=4 N (29.56666667 rev/ seg )

.889 rev /m=83.14585677Nm /seg

potE7=4.5N (29.55833333 rev /seg )

.889 rev/m=99.74690664Nm /seg

potE8=5N (29.525 rev/ seg )

.889rev /m=116.2401575Nm /seg

potE9=5.5N (29.50833333 rev /seg )

.889 rev /m=132.7709036Nm/seg

potE10=6N (29.44166667 rev /seg )

.889 rev /m=149.0298088Nm /se g

Potencia de agregada alta velocidad.

potA 1=(97000−1.31 )N /m2×0.000425m3/seg=41.22444325watt

potA 2=(135800−1.31 )N /m2×0.000406667m3/seg=55.2248006watt

potA 3=(174600−1.31 )N /m2×0.00038m3/seg=66.3475022watt

potA 4= (213400−1.31 ) N /m2×0.00038m3 /seg=81.0915022watt

potA 5=(252200−1.31 )N /m2×0.000375m3/seg=94.57450875watt

potA 6=(281300−1.31 )N /m2×0.000366667m3/ seg=106.6995197watt

potA 7=(320100−1.31 )N /m2×0.000366667m3/seg=120.9261863watt

potA 8=(368600−1.31 )N /m2×0.000358333m3/seg=132.0811973watt

potA 9=(407400−1.31 ) N /m2×0.00035m3 /seg=142.5895415watt

potA 10=(446200−1.31 )N /m2×0.000341667m3/ seg=152.4512191watt

Eficiencia mecánica de la bomba alta velocidad.

ηm1=41.22444325watt50.53430821Nm/ seg

=0.8157714

ηm2=55.2248006watt

66.89163855Nm /seg=0.825586

ηm3=66.3475022watt

83.47394076Nm /seg=0.79482892

ηm 4=81.0915022watt

99.97187852Nm/seg=0.81114313

ηm5=94.57450875watt116.6338583Nm /seg

=0.81086667

ηm6=106.6995197watt83.14585677Nm /seg

=1.28328126

ηm7=120.9261863watt99.74690664Nm/ seg

=1.21233019

ηm 8=132.0811973watt116.2401575Nm /seg

=1.13627855

ηm 9=142.5895415watt132.7709036Nm /seg

=1.07395173

ηm10=152.4512191watt

149.0298088Nm/ se g=1.02295789

Eficiencia volumétrica de la bomba alta velocidad.

ηv1=0.000425m3/ seg

(29.95 rev /seg ) (0.0001245m3/rev )=0.11397845

ηv2=0.000406667m3 /seg

(29.73333333 rev /seg ) (0.0001245m3/rev )=0.10985647

ηv3=0.00038m3 /seg

(29.68333333 rev /seg ) (0.0001245m3/rev )=0.10282568

ηv 4=0.00038m3/seg

(29.625 rev /seg ) (0.0001245m3/rev )=0.10302815

ηv5=0.000375m3 /seg

(29.625 rev /seg ) (0.0001245m3/rev )=0.10167251

ηv6=0.000366667m3/seg

(29.56666667 rev/ seg ) (0.0001245m3/rev )=0.09960926

ηv7=0.000366667m3/seg

(29.55833333 rev / seg) (0.0001245m3/rev )=0.09963734

ηv 8=0.000358333m3/seg

(29.525 rev / seg) (0.0001245m3/rev )=0.09748279

ηv 9=0.00035m3 /seg

(29.50833333 rev / seg) (0.0001245m3/rev )=0.09526953

ηv10=0.000341667m3/ seg

(29.44166667 rev /seg ) (0.0001245m3/rev )=0.09321179

Graficas.

Curva característica potencia de entrada vs presión de descarga baja velocidad.

Curva característica potencia agregada vs presión de descarga.

Curva característica de la eficiencia mecánica vs presión de descarga.

Curva característica de eficiencia volumétrica vs presión de descarga.

Curva característica caga dinámica total vs presión de descarga.

Curva potencia de entrada vs presión de descarga alta velocidad.

Curva potencia de la bomba vs presión de descarga alta velocidad.

Curva de eficiencia mecánica vs presión de descarga alta velocidad.

Curva de eficiencia volumatrica vs presión de descarga alta velocidad.

Curva de carga dinámica total vs presión de descarga alta velocidad.

Tablas de resultados.

Tabla 6 de resultados baja velocidad.# H [m] potE [watt] potA [watt] nm nv

1 9.918 25.21147357

21.00991625

0.83334741

0.11643415

2 13.885 33.58830146

25.35361542

0.7548347 0.10044196

3 17.853 41.92350956

30.55477075

0.72882187

0.09428646

4 21.82 50.28121485

35.57356162

0.70749209

0.08986281

5 25.787 58.66141732

41.18404608

0.7020636 0.08802997

6 28.763 67.0056243 44.52958263

0.66456485

0.08538047

7 32.73 75.2952755 45.3579843 0.6024014 0.0765144

9 7 7 68 37.689 83.5658042

747.9178297 0.5734143

30.0702770

79 41.656 91.8728908

950.9248362

50.5542966

60.0676105

110 45.624 100.170978

652.7853050

30.5269520

70.0640210

8

Tabla 7 de resultados de alta velocidad.# H1 [m] H [m] potE [watt] potA [watt] nm nv

1 0.000134 9.91820041

50.53430821

41.22444325

0.8157714 0.11397845

2 0.000134 13.8854806

66.89163855

55.2248006 0.825586 0.10985647

3 0.000134 17.8527607

83.47394076

66.3475022 0.79482892

0.10282568

4 0.000134 21.8200409

99.97187852

81.0915022 0.81114313

0.10302815

5 0.000134 25.7873211

116.6338583

94.57450875

0.81086667

0.10167251

6 0.000134 29.7546012

83.14585677

106.6995197

1.28328126

0.09960926

7 0.000134 33.7218814

99.74690664

120.9261863

1.21233019

0.09963734

8 0.000134 37.6891616

116.2401575

132.0811973

1.13627855

0.09748279

9 0.000134 41.6564417

132.7709036

142.5895415

1.07395173

0.09526953

10 0.000134 45.6237219

149.0298088

152.4512191

1.02295789

0.09321179

Cuestionario.

1. Investigar 5 aplicaciones de la bomba de pistón y explicar cada una.

Es posible utilizar la bomba con varios fluidos hidráulicos tales como aceite mineral, aceite biodegradable o emulsión de corte. Esto implica las siguientes aplicaciones principales de una bomba de pistón radial:

máquinas-herramienta unidades de alta presión sector de la automoción energía eólica

Son útiles en aplicaciones de moderada a alta presión. Se emplean en sistemas hidráulicos circulatorios, donde se reutiliza continuamente el mismo fluido hidráulico.

2. Investigar las características de las bombas de pistones así como sus ventajas y desventajas.

Ventajas:

Las bombas de pistón tienen un amplio rango de presión, pueden alcanzar niveles de presión altos y la presión puede ser controlada sin impactar el nivel de flujo. Tienen un índice continuo de descarga. Los cambios de presión y el índice de descarga tienen un efecto mínimo en el desempeño. Las bombas de pistón pueden maniobrar con fluidos viscosos, altos volúmenes de gas y sólidos, solo si las válvulas están diseñadas correctamente.

Desventajas:

Las bombas de pistón cuestan más por unidad para operar comparadas con las bombas centrífugas y las de rodillo. Los componentes mecánicos son propensos al desgaste, por lo cual los costos de mantenimiento pueden ser elevados. Las bombas de pistón son pesadas debido a su gran tamaño y al peso del cigüeñal que acciona la bomba. Deben ser utilizadas en aplicaciones de líquidos completos, ya que los sólidos o escombros en el fluido hidráulico pueden dañar la bomba.

3. ¿Por qué no se emplea la presión atmosférica si se supone que todos los cálculos deben involucrarla?

Solo estamos considerando la presión manométrica.

4. ¿Para qué nos sirve conocer la eficiencia volumétrica?

Darnos una idea de de las deficiencias de llenado del cilindro, las deficiencias en operaciones reales de las válvulas y las fugas que pueda tener el pistón.

5. ¿En que afecta la cavitación a nuestro equipo según las mediciones realizadas?

Con las implosiones que se propagan en todas las direcciones afectan principalmente a las ranuras de las superficies metálicas por lo que en muy poco tiempo pueden ocasionar daños a la estructura de la maquina (rotor).Los golpeteos los cuales al ser muy fuertes causan un desequilibrio en la maquina dañando las uniones de los tubos con esta, así como aflojan las partes que la sostienen. Con la implotación de las burbujas se liberan iones de oxigeno que atacan las superficies de los metales.

6. ¿Por qué se expresa la carga H en metros?

Todas las variables de la ecuación están dadas en metros.

H=H 2−H 1+v22

2 g−v12

2g+z2−z1

7. ¿Cuáles son las condiciones en que queda trabajando el equipo, para que diera el máximo de su utilidad (tomar las mediciones registradas)?

Con P2=97000Pa

8. Hacer una comparación entre la bamba centrifuga y una de pistones así como sus ventajas y desventajas.

Para las bombas centrifugas sus principales características son:

Elemento giratorio: Formados por un eje y uno o varios rodetes. Elemento estacionario (carcasa). Aumenta la energía del fluido por la acción de la fuerza centrífuga. Se adapta a trabajos a velocidades altas. El líquido sale perpendicular al eje de rotación del álabe. En bombas de alta presión pueden emplearse varios rotores en serie. En las bombas de baja presión, el difusor es un canal en espiral. En el caso de flujos bajos y altas presiones, la acción del rotor es en gran medida radial. Las bombas centrífugas, al contrario que las de desplazamiento positivo, no son auto

aspirantes y requieren de cebado previo al funcionamiento.

9. ¿Cómo afecta la velocidad de la bomba en su eficiencia?

Hace que la eficiencia volumétrica disminuya de acuerdo con la formula

ηV=QN V d

10. ¿Cómo se comporta la carga y el gasto?

Conforme aumenta la carga el gasto disminuye.

Conclusiones.

La bomba sufre el efecto de la cavitación por una descompresión del fluido. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan («aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno.Es un proceso físico que es muy parecido al de la ebullición, la diferencia es que la cavitación es

causada por una caída de la presión local por debajo de la presión de vapor mientras que la ebullición lo hace por encima de la presión ambiente local.El estudio de la cavitación es importante en la ingeniería porque hay muchos problemas que le genera como por ejemplo:

En la ingeniería naval se estudia el fenómeno, para el diseño de todo tipo de barcos debido a que acorta la vida útil de algunas partes tales como las hélices y los timones.

En los submarinos, este efecto es todavía más estudiado, evitado e indeseado, puesto que imposibilita a estos navíos mantener sus características operativas de silencio e indetectabilidad por las vibraciones y ruidos que la cavitación provoca en el casco y las hélices.

La cavitación puede dañar casi cualquier material. Las picaduras causadas por el colapso de las cavidades producen un enorme desgaste en los diferentes componentes y pueden acortar enormemente la vida de la bomba o hélice.

La cavitación se presenta también en el fondo de los ríos donde se genera a partir de irregularidades del lecho disociando el agua y el aire. La cavitación es un proceso erosivo frecuente en los pilares de los puentes.

     B I B L I O G R A F I ACurrie, L.G., Fundamental Mechanics of Fluids, McGraw Hill.W.H. Li, S.H.Lam, Principle of Fluid Mechanics, Addison Wesley.M. Lai, D. Rubin, E. Krempl, Introduction to Continuum Mechanics. PergamosG. K. Batchelor, An Introduction to Fluid Dynamics, Combridge University Press.Landau y Lifshitz, Fluid Mechanics, Addison-Wesley.Lamb, Hidrodynamics, Dover.

Borisenko, A.I., Tarapov, I.E., Vector and Tensor Analysis, Dover Publications, Inc., New York, 1979.Malvern, Continuum Mechanics, Prentice Hall.