UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚFACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA, INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

CURSO :FLUJO DE FLUIDOS

CATEDRÁTICO :ING. PASCUAL VICTOR GUEVARRA YANQUI

INTEGRANTES :HUAMAN RAMOS, WilliamNUÑEZ HERNANDEZ, AngelLUCAS ROSALES, Jorge JonathanRAMOS SIUCE, LuísYUPANQUI MERCADO, Luís

SEMESTRE : VI

HUANCAYO-PERU2012

BOMBA CENTRÍFUGA

FLUJO DE FLUIDOS

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo tiene como finalidad ampliar mis conocimientos sobre las bombas centrífugas. Las bombas son máquinas hidráulicas donde se transfiere energía del rotor al fluido, produciendo una conversión de energía cinética de presión.

Por su parte las bombas centrífugas, también denominadas rotativas, tienen un rotor de paletas giratorio que está sumergido en el líquido.

El líquido entra en la bomba cerca del eje del rotor, y las paletas lo arrastran hacia sus extremos a alta presión. Siempre que tratemos temas como procesos químicos, y de cualquier circulación de fluidos estamos, de alguna manera entrando en el tema de bombas. El funcionamiento en sí de la bomba será el de un convertidor de energía, o sea, transformara la energía mecánica en energía cinética, generando presión y velocidad en el fluido. Las bombas centrífugas hacen parte de un grupo de máquinas denominadas bombas roto dinámicas, las cuales están caracterizadas por la existencia de un elemento impulsor el cual es movido por un eje que le transmite la potencia a dicho elemento.

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OBJETIVOS

OBJETIVOS GENERAL:

Estudiar los conceptos básicos de mecánica de fluidos de la bomba centrifuga conociendo su funcionamiento.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Estudiar los fenómenos que se producen en el funcionamiento de la bomba centrifuga y los fenómenos que la afectan.

Determinar la potencia desarrollada por la bomba centrifuga.

MARCO TEÓRICO

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I. BOMBA:

Las bombas son dispositivos que se encargan de transferir energía a la corriente del fluido impulsándolo, desde un estado de baja presión estática a otro de mayor presión. Están compuestas por un elemento rotatorio denominado impulsor, el cual se encuentra dentro de una carcasa llamada voluta. Inicialmente la energía es transmitida  como energía mecánica a través de un eje, para posteriormente convertirse en energía hidráulica. El fluido entra axialmente a través del ojo del impulsor, pasando por los canales de éste y suministrándosele energía cinética mediante los álabes que se encuentran en el impulsor para posteriormente descargar el fluido en la voluta, el cual se expande gradualmente, disminuyendo la energía cinética adquirida para convertirse  en presión estática.

I.1. CLASIFICACIÓN GENERAL DE LAS BOMBAS:

Bombas Rotatorias: Las bombas rotatorias que generalmente son unidades de desplazamiento positivo, consisten de una caja fija que contiene engranes, aspas, pistones, levas, segmentos, tornillos, etc., que operan con un claro mínimo. En lugar de "aventar" el líquido como en una bomba centrifuga, una bomba rota y a diferencia de una bomba de pistón, la bomba rotatoria descarga un flujo continuo.

Bombas Reciprocantes: Son unidades que descargan una cantidad definida de líquido durante el movimiento del pistón o émbolo 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.

Bombas de desplazamiento positivo: Las bombas de desplazamiento positivo abarcan dos de los grupos principales, a saber: las alternativas y las rotativas o rotoestáticas.Aunque mientras que las bombas alternativas tienen características esencialmente de desplazamiento positivo,

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no todas las bombas rotativas son máquinas de desplazamiento verdaderamente positivo.

II. BOMBA CENTRÍFUGA:

Una bomba centrífuga es una máquina que consiste de un conjunto de paletas rotatorias encerradas dentro de una caja o cárter, o una cubierta o coraza. Se denominan así porque la cota de presión que crean es Ampliamente atribuible a la acción centrífuga. Las paletas imparten energía al fluido por la fuerza de esta misma acción. Así, despojada de todos los refinamientos, una bomba centrífuga tiene dos partes principales: Un elemento giratorio, incluyendo un impulsor y una flecha, y un elemento estacionario, compuesto por una cubierta, chumaceras.

Figura 1. Bomba centrifuga

III. VENTAJAS DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

Su construcción es simple, su precio es bajo. El fluido es entregado a presión uniforme, sin variaciones

bruscas ni pulsaciones. La línea de descarga puede interrumpirse, o reducirse

completamente, sin dañar la bomba. Puede utilizarse con líquidos que contienen grandes cantidades

de sólidos en suspensión, volátiles y fluidos hasta de 850°F. Sin tolerancias muy ajustadas. No alcanzan presiones excesivas aún con la válvula de descarga

cerrada. Máxima profundidad de succión es 15 pulgadas. Flujo suave no pulsante. Impulsor y eje son las únicas partes en movimiento. No tiene válvulas Operación a alta velocidad para correa motriz.

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IV. PARTES DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA:

Muestra algunas partes básicas de una bomba centrifuga, las cuales son:

Figura 2. Partes de la Bomba centrifuga

Casco.-  guía al líquido hacia el impulsor; recoge al líquido del impulsor y 2educe su velocidad transformando parte de ella en presión o columna. Los cascos son de dos tipos: de voluta y circular.

Casco de Voluta.-  Los cascos de voluta proporcionan más alta columna. La voluta es un túnel circular que aumenta su área hacia la parte de la descarga. como se muestra en la Fig. 3. Como el área de sección transversal aumenta, la voluta disminuye la velocidad del líquido y aumenta la presión.

Impulsor.-  imparte energía al líquido por la acción de sus aspas; es el único  componente de la bomba que suministra energía al líquido. Los impulsores son clasificados de diferentes maneras:

Difusor.-  porción de tubería que recoge al líquido que sale del impulsor, el mismo que aún conserva alta velocidad y puede dar alta fricción, pero debido al aumento en el diámetro de esta porción de tubería (difusor) se reduce la velocidad del líquido (y la fricción).

Inductor.-  (opcional), elevador de columna, proporciona la CSPN requerida por el impulsor.

Espacio libre.-  disminuye la fuga de liquido de alta energía a la entrada del impulsor.  

Cubierta.-  cubre al casco; sostiene a los cojinetes. Eje.- mueve y sostiene al impulsor.

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Carcasa.   Es la parte exterior protectora de la bomba y cumple la función de convertir la energía de velocidad impartida al líquido por el impulsor en energía de presión. Esto se lleva a cabo mediante reducción de la velocidad por un aumento gradual del área.

Anillos de desgaste: Cumplen la función de ser un elemento fácil y barato de remover en aquellas partes en donde debido a las cerradas holguras entre el impulsor y la carcasa, el desgaste es casi seguro, evitando así la necesidad de cambiar estos elementos y quitar solo los anillos.

Estoperas, empaques y sellos: la función de estos elementos es evitar el flujo hacia fuera del líquido bombeado a través del orificio por donde pasa la flecha de la bomba y el flujo de aire hacia el interior de la bomba.

Flecha: Es el eje de todos los elementos que giran en la bomba centrífuga, transmitiendo además el movimiento que imparte la flecha del motor.

Cojinetes: Sirven de soporte  a la flecha de todo el rotor en un alineamiento correcto en relación con las partes estacionarias.  Soportan las cargas radiales y axiales existentes en la bomba.

V. CARGA DE SUCCIÓN Y ELEVACIÓN DE SUCCIÓN Y ALGUNAS CONDICIONES DE SUCCIÓN.

V.1. Elevación de succión.Es la suma de la elevación estática de succión, de la carga de fricción de succión total y de las pérdidas de admisión (la elevación de succión es una carga de succión negativa).

V.2. Carga de succión. Es la carga estática de succión menos la carga de fricción total y las pérdidas de admisión, más cualquier presión que se encuentre en la línea de succión. Es una presión negativa (hay vacío) y se suma algebraicamente a la carga estática de succión del sistema.

V.3. Condiciones de succión.

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Por lo que respecta al líquido, se tomará en cuenta la influencia de su presión sobre la succión.

V.4. Presión de vapor.Si un líquido se encuentra a una temperatura arriba de su punto de ebullición, sufre evaporación en su superficie libre. En el seno del líquido se origina una presión que se llama presión de vapor y que está en función directa con la temperatura del líquido.

V.5. Presión de bombeo.Destinemos una bomba cualquiera para bombear un líquido. Al funcionar la bomba, tiende a formar un vacío en el seno del líquido. Éste succionar se conoce como presión de bombeo.

V.6. Carga neta de succión positiva (NPSH).Es la presión disponible o requerida para forzar un gasto determinado, en litros por segundo, a través de la tubería de succión, al ojo del impulsor, cilindro o carcasa de una bomba. En el bombeo de líquidos la presión en cualquier punto en la línea de succión nunca deberá reducirse a la presión de vapor del líquido.

V.7. NPSH disponible.Esta depende de la carga de succión o elevación, la carga de fricción, y la presión de vapor del líquido manejado a la temperatura de bombeo. Si se varía cualquiera de estos puntos, la NPSH puede alterarse.

V.8. NPSH requerida.Esta depende sólo del diseño de la bomba y se obtiene del fabricante para cada bomba en particular, según su tipo, modelo, capacidad y velocidad.

V.9. BCarga Hidráulica.Es la energía impartida al líquido por la bomba, es decir, la diferencia entre la carga de descarga y la succión.

V.10.Punto de Shut-off.Representa la carga hidráulica que produce la bomba cuando el caudal a través de ella es nulo. (La válvula a la

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salida de la bomba esta cerrada, con el fluido en contacto con el rodete).

V.11.Potencia Absorbida  (N).Representa la potencia requerida por la bomba para transferir líquidos de un punto a otro y la energía requerida para vencer sus pérdidas.

V.12.Potencia Hidráulica (Ph).Potencia cedida al líquido en el proceso de su transferencia de un punto a otro.

V.13.Rango de Operación.Es la zona en la cual la bomba opera en forma eficiente. Esta zona se determina como:

V.14.Eficiencia Mecánica.Es la eficiencia relacionada con las pérdidas de energía útil, debidas al rozamiento en el cojinete, prensa-estopas y el rozamiento del fluido en los espacios entre la cubierta del rodete y la carcasa de la máquina, llamado rozamiento del disco y se define para una bomba centrifuga como:

VI. ECUACIONES.

VI.1. POTENCIA ELECTRICA.

VI.2. POTENCIA ABSORBIDA (Potencia al eje).

VI.3. POTENCIA HIDRÁULICA.

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VI.4. ALTURA TOTAL DE BOMBEO.

VI.5. RENDIMIENTO TOTAL DE LA BOMBA.

VII. FENÓMENOS QUE OCURREN EN LAS BOMBAS CENTRIFUGA

VII.1.CAVITACIÓN: Cuando un líquido en movimiento roza una superficie se produce una caída de presión local, y puede ocurrir que se alcance la presión de vaporización del líquido, a la temperatura que se encuentra dicho líquido. En ese instante se forman burbujas de vapor. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión y ocurren implosiones. Este fenómeno recibe el nombre de cavitación. La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido y las mismas pueden disiparse en la corriente del líquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas de presión es la misma, el material tiende a debilitarse metalúrgicamente y se inicia una erosión que además de dañar la superficie provoca que ésta se convierta en una zona de mayor pérdida de presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor.   Altura de colocación de una Bomba y Altura Neta Positiva de Succión Como la cavitación es un fenómeno no deseado determinaremos el límite crítico de la distancia de

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colocación de una bomba para que ocurra dicho fenómeno. La caída de presión del líquido desde la brida de entrada hasta la entrada de éste al rodete sería:

Donde Es la presión del líquido en la brida y en la entrada al rodete.

El proceso físico de la cavitación es casi exactamente igual que el que ocurre durante la ebullición. La mayor diferencia entre ambos consiste en cómo se efectúa el cambio de fase. La ebullición eleva la presión de vapor del líquido por encima de la presión ambiente local para producir el cambio a fase gaseosa, mientras que la cavitación es causada por una caída de la presión local por debajo de la presión de vapor.

Para que la cavitación se produzca, las "burbujas" necesitan una superficie donde nuclearse. Esta superficie puede ser la pared de un contenedor o depósito, impurezas del líquido o cualquier otra irregularidad.

El factor más determinante en cómo se produce la cavitación es la temperatura del líquido. Al variar la temperatura del líquido varía también la presión de vapor de forma importante, haciendo más fácil o difícil que para una presión local ambiente dada la presión de vapor caiga a un valor que provoque cavitación.

VII.2.GOLPE DE ARIETE:Se llama golpe de ariete a una modificación de la presión en una conducción debida a la variación del estado dinámico del líquido.En las paradas de las bombas, en el cierre de las válvulas, etc., se produce esta variación de la velocidad de la circulación del líquido conducido en la tubería.

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PARTE EXPERIMENTAL

I. MATERIALES:

Destornillador Llave stilson

Llave corona Pegamento empaquetadura

Empaquetadura Papel de lija

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II. EQUIPOS:

Bomba centrífuga.

III. PROCEDIMIENTO:

Desmontado de la bomba hidráulica:

Tener presente la estructura inicial, si es posible hacer un esquema del equipo antes de proceder al desarmado.

La tubería auxiliar debe desconectarse sólo en los puntos en que sea necesario para quitar una parte, excepto cuando hay que quitar la bomba de la base.

Después de haber desconectado la tubería, debe amarrarse un trapo limpio en los extremos o aberturas del tubo para evitar la entrada de cuerpos extraños.

Las camisas del eje tienen roscas para apretarle en sentido contrario a la rotación del eje.

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Antes de hacer la inspección y el chequeo, limpie las partes cuidadosamente. Para este paso se utilizó lija de agua lo más fino posible para no dañar el equipo.

Armado de la bomba hidráulica:

Se hecha la silicona automotriz en las partes que se va unir con la empaquetadura.

Debe cimentarse la placa de asiento de la bomba.

Antes de entornillar se debe tener en cuenta: Comprobar el alineamiento entre la bomba y su sistema

de accionamiento. Las tuberías no deben ejercer esfuerzos sobre la bomba. Usar tuberías de diámetro amplio, especialmente en la

succión. Colocar válvulas de purga en los puntos elevados de la

bomba y de las tuberías. Disponer de un abastecimiento adecuado de agua fría.

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CÁLCULOS

I. BALANCE DE ENERGÍA AL SISTEMA TUBERÍA – BOMBA

T H 2O=17 ° C

Para la tubería de 2 pulgadas (en tablas para 2” nominal Nº 40 se tiene: D interior = 2,067pulg = 5,25x10-2 m)

L1=5 cm.L2=4 cm.L3=5 cm.Le=14 cm.

Accesorios encontrados en el trayecto de la tubería de 2 pulgadas:

Accesorio KUn codo de 900 1Una válvula globo

8,5

Una válvula de pie

0,8

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Para la tubería de 1 pulgadas (en tablas para 1” nominal Nº 40 se tiene: D interior = 1,049pulg = 2,665x10-2 m)

L1=5 cm.L2=23 cm.L3=24 cm.L4=40 cm.L5=42 cm.

Accesorios encontrados en el trayecto de la tubería de 1 pulgada:

Accesorio KUn codo de 900 1,5Una T , salida de lado 1,3Un codo largo de 900 0,3

5Una válvula de compuerta 0,2Una válvula check (retención) 3

La diferencia entre la altura del nivel del líquido y la salida es de:

∆ H=37cmSe tomó 4 tomas de caudal, con una probeta y un cronómetro resultando los siguientes resultados:

Ensayo

Caudal (m3/s)

1 1,533x10-3

2 1,424x10-3

3 1,520x10-3

4 1,528x10-3

Teniéndose como caudal promedio:Q=1,501 x10−3m3

s

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Partiendo de la ecuación de Bernoulli:

z1+P1

γ 1+v1

2

2 g+W p=z2+

P2

γ 2+v2

2

2 g+hf

W p=∆ H+v2

2

2g+h f⋯ (1 )

Donde:

h f=∑ f ( L .v2

2.D. g )+∑ K ( v2

2g )⋯ (2 )

Calculando las pérdidas en la tubería de 2 pulg:

Considerando a la tubería de material Hierro galvanizado:

ϵD

=0,0152

Cálculo de la velocidad:

v1=QA1

=1,501 x10−3

2,164 x10−3 =0,693ms

Calculando el número de Re:

ℜ= ρ. v . Dμ

=999,001 x 0,693 x 5,25 x 10−2

1,080 x 10−3 =3,4 x 104

Entonces en el diagrama de Moody tenemos: f = 0,0457, de la ecuación (2):

h f 1=0,0457 ( 0,14 x 0,6932

2 x5,25 x10−2 x 9,81 )+(1+8,5+0,8 )( 0,6932

2 x 9,81 )=0,255m

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Calculando las pérdidas en la tubería de 1 pulg:

Cálculo de la velocidad:

v1=QA1

=1,501 x10−3

5,578 x10−4 =2,691ms

Calculando el número de Re:

ℜ= ρ. v . Dμ

=999,001 x 2,691 x 6,665 x 10−2

1,080 x10−3 =6,63 x104

Entonces en el diagrama de Moody tenemos: f = 0,0450, de la ecuación (2):

h f 2=0,0457 ( 1,34 x 2,6912

2 x2,665 x10−2 x 9,81 )+(1,5+1,3+0,35+0,2+3 )( 2,6912

2x 9,81 )=3,179m

Sumando estas pérdidas se tiene:

h f=hf 1+h f 2=3,434m

Entonces la potencia de la bomba, de la ecuación (1) en m de agua es:

W p=0,37+3,434=3,804m

(Del grafico 1 del anexo se obtuvo la eficiencia: ƞ= 0.28)

P=1.501×10−3×999.19×3.80475×0.28

=0.2717C .V .

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ESQUEMA DE LA BOMBA CENTRÍFUGA

CONCLUSIONES

Se aplicó la ecuación de Bernoulli para hallar el trabajo de la bomba.

La potencia entregada por la bomba es Wp=3,804.

El l caudal promedio de la bomba es:Q=1,501 x10−3m3

s

RECOMENDACIONES

Verificar que el sistema eléctrico de la bomba este en perfectas condiciones antes del encendido de la bomba.

antes de cebar Verificar que la válvula de globo este cerrada. Cebar la bomba antes de poner en funcionamiento. No efectuar nunca trabajos de mantenimiento cuando la

máquina esté conectada a la alimentación eléctrica No hacer funcionar nunca la bomba a caudales excesivamente

altos o bajos

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La bomba debe almacenarse en lugar limpio y seco, lejos de vibraciones. Las cubiertas de las conexiones para tuberías deben mantenerse en posición para evitar que entre suciedad y otras materias extrañas en el cuerpo de la bomba. Hágase girar la bomba a intervalos para impedir que se endurezcan los cojinetes y que se peguen las caras de estanqueidad, si las hay.

Verifique que la bomba gire en el sentido indicado por la flecha grabada en el cuerpo de la bomba.

La bomba solo debe utilizarse para manejar líquidos para los que está aprobada, de manera que tenga la correcta resistencia a la corrosión.

BIBLIOGRAFÍA

O. LEVENSPIEL; " Flujo de Fluidos e intercambio de calor"; Editorial Reverte S. A. España 1993.

E. COSTA NOVELLA; "Ingeniería Química, Flujo de Fluidos". Vol 3 Editorial Alhambra, 1ra. Edición, España 1985.

CLAUDIO MATAIX; "Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidraúlicas"; 2da. Edición. Editorial Harla S.A. México 1987.

N.N. PASHKOV; F.M. DOLQACHEV; "Hidráulica y Máquina Hidráulicas". Editorial MIR, Moscú, 1987.

PASCHOAL SILVESTRE; "Fundamentos de Hidráulica General"; Editorial LIMUSA, México, 1987.

http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_hidr%C3%A1ulica

http://usuarios.iponet.es/jsl/hidraulica/bombas.htm

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ANEXOS

Bomba Centrifuga Alabes

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Funcionamiento de la Bomba

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