BOMBAS CENTRIFUGAS

LANCHEROS, Juan, MOSQUERA, José y TOUS, Alberto

Universidad del Atlántico

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Química

Profesor: Ing. Crisóstomo Peralta

Asignatura: Mecánica de fluidos I

Fecha: lunes, 17 de Diciembre de 2007

RESUMEN

la práctica de laboratorio Bombas Centrífugas, cuyo objetivo era el manejo práctico de los conceptos

relacionados con el funcionamiento de bombas centrífugas y el análisis de sus comportamientos.

Este trabajo se realizó en un solo banco que contaba de un tanque para agua de almacenamiento,

una bomba centrífuga accionada por un motor de velocidad variable, el cual es controlado por un

rectificador de corriente (transformadores de corriente); un dinamómetro para conocer la estabilidad

del motor (torque). Además consta de dos medidores de presión en la succión y en la descarga y un

contador de flujo. También se contó con un tacómetro para la medición de las velocidades en el eje

del motor, y con un cronómetro para la medición del tiempo de bombeo de un volumen de agua. Se

puso entonces a arrancar el equipo, y se realizaron diferentes corridas para seis lecturas en el

transformador variando la rata de flujo con la válvula de descarga.

INTRODUCCIÓN

Puede decirse que la mayoría de los procesos en la industria química incluyen el

transporte de líquido en de todos los tipos, y hacia cualquier sitio a través de ciertos

equipos y dispositivos empleados para suministrarle la energía mecánica necesaria

para realizar un trabajo.

El medio más común de comunicar energía es mediante un mecanismo de

desplazamiento positivo o de una acción centrifuga suministrada por fuerzas

externas. En general se utilizan bombas para elevar la presión del fluido, subir el

fluido desde un depósito a un destino que está a mayor altura, incrementar la carga

de velocidad y suplir cualquier perdida de energía que se de en el sistema debido a

la fricción y accesorios; es por esto que la clasificación mas ajustada a sus

condiciones de operación dependen de la forma como transfieren el fluido en su

interior desde la succión hasta la descarga. Sin embargo de las diferentes clases de

bombas, la bomba centrifuga es la mas utilizada a nivel industrial por su sencillez,

bajo costo y maneja mas cantidad de líquido.

OBJETIVOS

Manejar en forma práctica los conceptos relacionados con el funcionamiento

de una bomba centrifuga

Elaborar las curvas características de una bomba centrifuga e interpretar sus

resultados.

i) DISCUSIÓN TEÓRICA

Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía

mecánica de un impulsor rotatorio llamado rodete en energía cinética y potencial

requeridas. Aunque la fuerza centrífuga producida depende tanto de la velocidad en

la periferia del impulsor como de la densidad del líquido, la energía que se aplica por

unidad de masa del líquido es independiente de la densidad del líquido. Por tanto,

en una bomba dada que funcione a cierta velocidad y que maneje un volumen

definido de líquido, la energía que se aplica y transfiere al líquido, (en pie-lb/lb de

líquido) es la misma para cualquier líquido sin que importe su densidad. Por tanto, la

carga o energía de la bomba en pie-lb/lb se debe expresar en pies o en metros y es

por eso por lo que se denomina genéricamente como "altura".

BOMBAS CENTRÍFUGAS

Una bomba centrífuga consiste en un rodete que produce una carga de presión por

la rotación del mismo dentro de una cubierta. Las diferentes clases de bombas se

definen de acuerdo con el diseño del rodete, el que puede ser para flujo radial o

axial.

Tipo Radial

Este rodete envía por una fuerza centrífuga, el flujo del fluido en dirección radial

hacia la periferia de aquel. La carga de velocidad es convertida a carga de presión en

la descarga de la bomba. Por lo general, los alabes (aletas) de estos rodetes están

curvados hacia atrás. El rodete radial ha sido el tipo más comúnmente usado.

Flujo axial o tipo hélice

Casi toda la carga producida por este rodete es debida a la acción de empuje de las

aletas. El fluido entra y sale del rodete en dirección axial o casi axial.

Flujo mixto

La carga se desarrolla con un rodete delgado, en parte por fuerza centrífuga y en

parte por el empuje de las aletas.

Esto se consigue construyendo aletas de curva doble o en forma de hélice, de tal

forma que la descarga es una combinación de flujo axial y radial.

CLASES DE BOMBAS. Las bombas centrífugas pueden ser de dos tipos: el horizontal y

el vertical.

Horizontal: La bomba primera tiene un propulsor vertical conectado a un eje

horizontal. La bomba centrifuga horizontal es la más usada, cuesta menos, es fácil

de instalar y es más accesible para su inspección y mantenimiento, sin embargo,

requiere mayor espacio que la bomba de tipo vertical.

Vertical: La bomba de tipo vertical consta de un propulsor horizontal conectado a un

eje vertical.

Tanto las verticales como las horizontales succionan agua dentro de sus propulsores,

por lo que deben ser instaladas a sólo unos cuatro metros sobre la superficie del

agua.

Existen varias formas de clasificar las bombas centrifugas y entre ellas se tienen las

siguientes:

Clasificación según el tipo de impulsor

Impulsor abierto: En esta clase de impulsor las paletas están unidas directamente

al núcleo del impulsor sin ningún plato en los extremos. Su uso está limitado a

bombas muy pequeñas, pero se puede manejar cualquier líquido y además

inspeccionarlo es muy sencillo.

Impulsor semi-abierto: Su construcción varía en que está colocado un plato en el

lado opuesto de la entrada del líquido y por ende está más reforzada que el

impulsor. Tienen la función de disminuir la presión en la parte posterior del impulsor

y la entrada de materiales extraños se alojan en la parte posterior del mismo.

Impulsor cerrado: Este impulsor se caracteriza porque además del plato posterior,

lo rodea una corona circular en la parte anterior del impulsor. Esta corona es unida

también a las paletas y posee una abertura por donde el líquido ingresa al impulsor.

Este es el impulsor más utilizado en las bombas centrífugas por su rendimiento, que

es superior a los dos anteriores. Debe ser utilizado en líquidos que no tienen sólidos

en suspensión.

Simple succión: Las bombas de simple succión admiten agua solo por un lado del

impulsor.

Doble succión: Las de doble succión lo hacen por ambos lados.

Las bombas de doble succión funcionan como si existieran dos impulsores, uno en

contra posición del otro y esto elimina el problema de empuje axial. Otra ventaja es

la seguridad con la que trabajan frente a la cavitación, ya que el área de admisión

del agua es superior a las de las bombas de simple succión.

Clasificación según del número de impulsores empleados

Bombas de una fase: La bomba de una sola fase es aquella en la que la carga o

altura manométrica total es proporcional por un único impulsor.

Bombas de múltiples fases: Alcanza su altura manométrica o carga con dos o más

impulsores, actuando en serie en una misma carcasa y un único eje, es por esto que

las bombas de múltiples fases son utilizadas en cargas manométricas muy altas.

Clasificación según la trayectoria del líquido en el impulsor

Bombas de flujo radial: En este tipo de bomba el líquido penetra al impulsor en

dirección paralela al eje de la bomba y sale en dirección perpendicular al eje del

impulsor. Las cargas manométricas a manejar son las altas.

Bombas de flujo axial: Aquí el líquido penetra axialmente en el impulsor y su salida

es en la misma dirección; son utilizadas para cargas manométricas bajas.

Bombas de flujo mixto: El flujo penetra axialmente en el impulsor y sale en una

dirección intermedia entre radial y axial; las cargas manométricas manejadas son

medias.

Rendimiento de las Bombas. Cuando un líquido fluye a través de una bomba, sólo

parte de la energía comunicada por el eje del impulsor es transferida el fluido. Existe

fricción en los cojinetes y juntas, no todo el líquido que atraviesa la bomba recibe de

forma efectiva la acción del impulsor, y existe una pérdida de energía importante

debido a la fricción del fluido. Ésta pérdida tiene varias componentes, incluyendo las

pérdidas por choque a la entrada del impulsor, la fricción por el paso del fluido a

través del espacio existente entre las palas o álabes y las pérdidas de alturas al salir

el fluido del impulsor. El rendimiento de una bomba es bastante sensible a las

condiciones bajo las cuales esté operando. El rendimiento de una bomba viene

dado por:

ii) ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓ

La experiencia consistió en el análisis y determinación de las curvas características

de una bomba centrífuga.

Reactivos: Agua a temperatura ambiente.

Metodología: Para operar el equipo, se inició abriendo la válvula de succión y

descarga de la bomba. Se llenó el tanque de alimentación y se cerró la válvula de

descarga de la bomba. Se calibró la balanza del dinamómetro para la medición del

torque del motor. Posteriormente se suministró corriente al motor de la bomba

girando los transformadores de forma simultánea, hasta que se obtuvo la lectura

correspondiente a una velocidad de rotación determinada. Lentamente se abrió la

válvula de descarga y se permitió la estabilización del equipo. Luego de esto, se

inició la experiencia. Se ubicaron los transformadores en una lectura de 90. Se cerró

totalmente la válvula de descarga de la bomba y se anotó la lectura del manómetro

de descarga. Se abrió luego la válvula completamente, y se anotó la lectura del

manómetro.

Con el tacómetro, se midió igualmente la velocidad del motor (en rpm), teniendo en

cuenta que esta sería la velocidad de referencia y que no podía variar más del 12%.

En la válvula de descarga se varió la tasa de flujo para seis corridas, registrando en

cada variación: velocidad del motor ajustada a la velocidad de referencia, volumen

(en L) y tiempo (en s) para un determinado recorrido del puntero en la escala.

También la presión en la descarga y el torque (en lb x ft).

Esto se hizo para cinco lecturas en el transformador. Al finalizar con la última

lectura, se cerró la válvula de descarga de la bomba, y se giraron las dos perillas de

los transformadores, colocándolas en 0.

Datos obtenidos:

LECTURA EN EL TRANSFORMADOR: 70CORRIDA VEL MOTOR (RPM) VOL (L) t (s) Ps (PSI) PD (PSI) TORQUE (lb*ft)

1 2000 5 13,08 0 10,5 0,343752 2000 5 13,83 0 11 0,31253 2000 5 15,55 0 11,5 0,28124 2000 5 18,37 0 12 0,28125 2000 5 24,71 0 12,5 0,28126 2000 5 44,32 0 13 0,2812

LECTURA EN EL TRANSFORMADOR: 80CORRIDA VEL MOTOR (RPM) VOL (L) t (s) Ps (PSI) PD (PSI) TORQUE (lb*ft)

1 2067 5 12,48 0 13,5 0,31252 2067 5 13,56 0 14 0,40623 2067 5 15,81 0 14,5 0,3754 2067 5 19,63 0 15 0,3755 2067 5 28,9 0 15,5 0,3756 2067 5 91,88 0 16 0,375

Aplicando la ecuación de Bernoulli entre la corriente de succión y de descarga, y despreciando los términos de diferencia de altura, de velocidad y pérdidas por fricción, obtenemos:

Ha = (PD – PS) / Agua @ 86°F, = 62,14 lb / ft3.La conversión que usamos para pasar de PSI a lb/ft2 fue 1 PSI = 144 lb/ft2 Para Pasar de Lb*ft*rev/s a hp, realizamos los siguientes pasos:

Para la eficiencia de la bomba se dividió HHP entre BHP.

Tabla 1. Resultados LECTURA EN EL TRANSFORMADOR: 70n VEL(RPM) VOL (ft3) t (s) Ps (PSI) PD (lb/ft2) TOR(lb*ft) Q (gpm) (Ha)( ft) N (1/s) HHP (hp) BHP (hp) η 1 2000 0,176553672 13,08 0 1512 0,34375 6,060596244 24,3321532 209,4395102 0,037107194 0,130899694 0,283478082 2000 0,176553672 13,83 0 1584 0,3125 5,731930504 25,49082716 209,4395102 0,036766058 0,118999722 0,308959193 2000 0,176553672 15,55 0 1656 0,2812 5,097916326 26,64950113 209,4395102 0,034185663 0,10708071 0,319251375 2000 0,176553672 24,71 0 1800 0,2812 3,208118125 28,96684905 209,4395102 0,023383732 0,10708071 0,218374836 2000 0,176553672 44,32 0 1872 0,2812 1,788641671 30,12552301 209,4395102 0,013558766 0,10708071 0,12662193

Tabla 2. Resultados LECTURA EN EL TRANSFORMADOR: 80

n VEL(RPM) VOL (ft3) t (s) Ps (PSI) PD (lb/ft2) TOR(lb*ft) Q (gpm) (Ha)( ft) N (1/s) HHP (hp) BHP (hp) η1 2067 0,176553672 13,08 0 1944 0,34375 6,060596244 31,28419697 216,4557338 0,047709249 0,135284834 0,352657782 2067 0,176553672 13,83 0 2016 0,3125 5,731930504 32,44287094 216,4557338 0,046793164 0,122986212 0,380474883 2067 0,176553672 15,55 0 2088 0,2812 5,097916326 33,6015449 216,4557338 0,043103662 0,110667913 0,389486534 2067 0,176553672 18,37 0 2160 0,2812 4,31532928 34,76021886 216,4557338 0,037744933 0,110667913 0,341064836 2067 0,176553672 44,32 0 2304 0,2812 1,788641671 37,07756678 216,4557338 0,016687712 0,110667913 0,15079088

GRAFICOS

Para el transformador de 70

Para el transformador de 80

PREGUNTAS

1. Defina: Columna estática en la succión, en la descarga y total en un sistema de

bombeo.

Carga estática

La carga estática es la distancia vertical, expresada en metros, entre el origen de la succión

y el punto de alimentación considerado como el más desfavorable, ya sea por su altura, su

lejanía, o por ambos.

Esta carga está formada por la suma algebraica de la carga estática de descarga, más la

carga estática de descarga, o altura estática de succión.

Carga estática de descarga

Es la distancia vertical entre el centro geométrico del impulsor de la bomba y el nivel más

alto que alcanza el líquido bombeado en la tubería donde descarga, expresada en metros

de columna de agua.

Carga, o altura estática de succión

Es la distancia vertical, expresada en metros, entre el fondo de la cisterna y el eje de la

bomba, se le denomina “Carga estática de succión”, si el fondo esta arriba del eje de la

bomba, y “Altura estática de succión” si el fondo está abajo del eje de la bomba.

2. Defina: Columna dinámica en la succión, en la descarga y total en un sistema de

bombeo.

Columna o carga dinámica en la succión (hs): En bombas centrífugas es la suma algebraica

de la carga estática de succión, la carga de velocidad y las pérdidas por fricción y entrada

en la tubería de succión, en unidades de longitud (m); se obtiene a partir de:

hs = hes + hvs + hfs

Donde, hes es la carga estática de succión hvs es la carga de velocidad y,

hfs las pérdidas por fricción en la tubería de succión

En las bombas rotatorias y reciprocantes, este término es la presión hidráulica total arriba

de la presión atmosférica en la admisión de la bomba, y es la diferencia entre la carga

estática de succión y la carga de fricción en la succión, expresada en kg/cm2 o su

equivalente.

Columna o carga dinámica en la descarga (hd): Es la suma de la carga estática de

descarga, la carga de velocidad y fricción en la tubería de descarga, en unidades de

longitud (m); se obtiene:

hd = hed + hvd + hfd

donde, hed es la carga estática de descarga hvd es la carga de velocidad, hfd las pérdidas por

fricción en la tubería de descarga.

Columna o carga dinámica total (H): Es el incremento de energía por unidad de peso del

fluido impartido al mismo por la bomba. Es, por tanto, la diferencia algebraica de la carga

dinámica de descarga y la carga dinámica de succión, en unidades de longitud (m) de

columna de líquido. Su ecuación es la siguiente: H = hd - hs

3. ¿En qué consiste el fenómeno de la cavitación en el bombeo de líquidos?

La cavitación se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de

un líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo admisible. Esta baja que sufre

la presión es debida a los efectos dinámicos de un líquido al escurrir, siguiendo fronteras

curvas o alrededor de cuerpos sumergidos.

El fenómeno consiste en un cambio rápido y explosivo de fase líquida a vapor. Si el liquido

fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, éste

hierve y forma burbujas. Estas burbujas son transportadas por el líquido hasta llegar a

una región de mayor presión, donde el vapor regresa al estado líquido de manera súbita

aplastándose bruscamente las burbujas. Este fenómeno se llama CAVITACIÓN

4. Defina: Columna neta de succión positiva requerida y disponible.

CSPN – Capacidad

Esta es otra característica de una bomba centrífuga, la cual es muy importante y siempre

se da con las curvas de operación de la bomba, relacionándola con la capacidad. Esta

información nos da el valor de la CSPNR o de la bomba el cual puede tomarse como

referencia para determinar la CSPNA o del sistema para una operación adecuada.

5. ¿Para qué y cómo se efectúa un cebado en una bomba? Presente un ejemplo.

Cebado de una bomba

Este proceso consiste en llenar de agua la tubería de succión y la carcaza de la bomba, con

el propósito de provocar la succión del agua; evitando que queden bolsas de aire en su

interior.

El llenado con agua se realiza, a través de despiche o directamente a través del chupador.

En las bombas denominadas autocebantes, este proceso no es necesario.

- Sistema Volumétricos: Son aquellos en los que la bomba auxiliar de cebado es del tipo

volumétrico, (Bombas de pistones) es decir son aquellas que en cada rotación mueven un

volumen de liquido. Los sistemas más representativos en el mercado son El sistema

Trokomat y el sistema Automatic de las bombas Rosembauer. La ventaja de este sistema

es que no necesitamos un elevado régimen motor para producir el vacío, es decir a ralentí

se consigue realizar el cebado aunque es evidente que si aceleramos lo conseguiremos

realizaren menos tiempo.

Sistema Trokomat

Es el montado en las bombas Ziegler. Aparte de la ventaja mencionada, presenta otra y es

la de ser totalmente automático con lo que no hace falta que el operador le preste

ninguna atención. El sistema trokomat es controlado solo por la presión de agua en la

bomba de pistones y no necesita fluidos auxiliares. Funciona a bajas revoluciones. Se trata

de dos pistones accionados a través de un eje por una excéntrica y presionados contra la

excéntrica por sendos muelles. Funciona pues como dos bombas aspirantes impelentes

conectadas entre la toma de aspiración y el exterior (salida de aire).

Primer tiempo: Cuando la excéntrica presiona el pistón este se mueve provocando un

doble efecto (encima y debajo del pistón) a) una sobrepresión por encima del pistón y la

salida de aire por encima ya que el diafragma de salida de gas-aire se encuentra sobre el

pistón y mientras este se desplaza se mantiene cerrado, empujado el aire hacia el exterior

por las lumbreras de salida b) un vacío en la toma de aspiración de la bomba, y la

posterior abertura del diafragma de entrada y el paso de gas-aire al cilindro en este

momento el pistón se encuentra pegado a la tapa de salida y el muelle totalmente

comprimido.

Segundo tiempo: Ahora la excéntrica se aleja de la varilla que empuja el pistón y permite

que el muelle lo empuje hacia abajo, abriéndose el diafragma que hay sobre el mismo y

llenándose la cámara cilíndrica que va quedando encima del pistón con el gas-aire que se

encontraba capturado en el primer tiempo y que no puede escapar hacia la toma de

aspiración por el diafragma que le cierra el paso, pero que si puede pasar a través del

diafragma que hay sobre el pistón.

Estos dos tiempos se suceden hasta que no queda aire en la aspiración y se empieza a

inundar todo de agua. Llegando un momento en que la excéntrica empuja el pistón a tope

quedando la cámara cilíndrica debajo del mismo llena de agua y la varilla de empuje del

pistón separada temporalmente de la excéntrica girando esta en vacío, dado que el agua

es un fluido incompresible y que el diafragma que hay sobre el pistón se encuentra

parcialmente cerrado al estar pegado a la tapadera del trokomat,

El modo de operación es mostrado en el gráfico de la pagina siguiente: El color aparillo

corresponde al aire que es expulsado durante el primer tiempo (parte de encima del

pistón), el naranja al aire que es succionado durante el mismo primer tiempo. También

podemos observar como queda desconectado

iii) CONCLUSIONES

Una de las principales conclusiones que podemos mencionar sobre esta experiencia, es

que después de cierto tiempo de uso, los componentes internos de las bombas

centrifugas se desgastan con el paso del tiempo. En el equipo inicial se incluyen anillos de

ajustes para cubrir los espacios entre el impulsor y la carcasa para mantener los valores

óptimos. Con el desgaste de los anillos, los claros se agrandan y el rendimiento de la

bomba disminuye.

El operar la bomba en puntos alejados del punto de eficiencia óptima somete a cargas

más altas a los rodamientos, sellos y anillos contra el desgaste, y reduce la vida de la

bomba.

Todo estos factores han producido un grave deterioro de este equipo por lo cual solo se

tomaron dos mediciones en la lectura del transformador, el grupo de trabajo se siente

insatisfecho en lo que respecta a las condiciones del equipo, a pesar de que los resultados

obtenidos obedecen el comportamiento señalado en la literatura; nos atrevemos a

recomendar un mejor mantenimiento de los equipos de laboratorio o mejor aún el

reemplazo de alguno de estos, como lo es la bomba centrifuga.

iv) REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

i) MOTT, Robert. “Mecánica de fluidos aplicada”. 6 ed. México: Prentice Hall, 2006.

644 p.

ii) www.wikipedia.org

iii) PÉREZ, Luis. “Selección fina de bombas”. Universidad de buenos aires, 2005. 21 p.

v) FRANZINI, Joseph; FINNEMORE, John. MECÁNICA DE FLUIDOS CON APLICACIONES EN

INGENIERIA. 9 ed. McGraw-Hill : México. 503 p.

vi) APÉNDICE

Fotografía A1. Bomba centrifuga