Bomba centrífuga

Industriales. Funcionamiento. Estructura. Bernoulli

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UNIVERSIDAD NACIONAL ANDRES BELLO

FACULTAD DE ECOLOGIA Y RECURSOS NATURALES

ESCUELA ING. EN ACUICULTURA

LABORATORIO MAQUINAS Y EQUIPOS 2001

Estudio experimental de bomba centrífuga

INTRODUCCION

Las bombas son dispositivos que necesitan ser accionados mecánicamente para poder impulsar fluidos líquidos venciendo un potencial adverso.

En los distintos tipos de diseño o funcionamiento, las bombas privilegiarán un caudal determinado o un aumento de presiones en el fluido.

Una típica clasificación típica de bombas, podemos encontrar las rotatorias, reciprocantes y centrífugas. Esta última, es con la que trabajamos en el ensayo de bombas.

Este tipo de bomba está compuesta por una cámara en forma de caracol que en su interior posee un disco central llamado rodete. Este a su vez posee pequeñas aletas llamadas álabes. Este mecanismo de impulsión permite que el líquido obtenga energía cinética y la transforme en energía de presión para así aumentar la velocidad de flujo. El líquido al chocar con las paredes de la cámara, disminuye su velocidad haciendo que se pierda energía.

En este ensayo trabajamos con una bomba, propiedad de la Universidad de Santiago de Chile, la cual tenía la posibilidad de variar la velocidad, la cual era uno de nuestros principales objetivos.

OBJETIVOS

Estudiar y comprender el funcionamiento de una bomba centrífuga.

Obtener mediante esta observación: el gráfico H v/s Q y la respectiva curva de rendimiento para el ensayo de la bomba a dos velocidades distintas.

Obtener, a partir de los datos recopilados (bomba funcionando a 3450 rpm), los datos proyectados a 3300 rpm, mediante análisis de semejanza y comparar los datos teóricos y reales.

Interpretar los resultados obtenidos.

DESCRIPCION

Se realizó la experiencia en una instalación de bomba centrífuga que se esquematiza a continuación:

1: Balanza

2: Motor conectado a un banco dinamométrico

3 - 4: Rotámetros

5: Manómetro

6: Vacuómetro

7: Bomba centrífuga

8: Sección rugosa de la tubería

9: Estanque de retorno del agua

10: Válvula de agua

La bomba poseía las siguientes características, según datos de placa: 3450 rpm, 180 GPM (681, 4 LPM aprox), 100 ft (30,5 m) de altura de presión y un diámetro de rodete de 5½ in (14 cm aprox).

La acción mecánica de la bomba la realizaba un motor, como se muestra en el esquema, conectado a un banco dinamométrico, que proporcionaba corriente eléctrica y voltaje. Este aparato era el que regulaba la velocidad de la bomba.

El ensayo comenzó con la activación del banco dinamométrico, con la posterior apertura de la válvula del paso de agua, la bomba comenzó a funcionar.

Se comenzó con una velocidad de 3450 rpm. En ese minuto se comenzaron a regular los porcentajes de caudal, mediante los dos rotámetros (eran dos por una cuestión de medición, ya que de lo contrario, hubiera producido choques del agua contra la cañería). Ambos rotámetros iban regulando las mismas cantidades de agua. A medida que se iba aumentando el caudal se tomaban las lecturas de la balanza, el manómetro y el vacuómetro. Con estos datos se obtuvieron las tablas anteriormente mostradas.

DATOS

La bomba de ensayo que se ocupó en esta experiencia tenía una capacidad de bombeo de 180 GPM (682 LPM aprox). Por motivos de disponibilidad de la instalación, este caudal se dividía en dos salidas. Los porcentajes de los dos caudales eran registrados en dos rotámetros.

En estas tablas se muestran los datos registrados en sólo un rotámetro, el manómetro y el vacuómetro, ubicados en la instalación.

Tabla 1: Datos registrados a una velocidad de 3450 rpm

Rotámetro

Manómetro

Vacuómetro

Balanza

Caudal (%)

Psalida (psi)

Psalida (mH20)

Psuccion

(ft H2O)

Psuccion (mH20)

Fuerza (kgf)

0 - 0

53,0

37,2590

0

0

1,8

10 - 10

52,5

36,9075

0,25

0,0762

2,0

20 - 20

52,0

36,5560

0,50

0,1524

2,2

30 - 30

51,0

35,8530

1,00

0,3048

2,4

40 - 40

50,0

35,1500

1,50

0,4572

2,7

50 - 50

49,5

34,7985

2,25

0,6858

2,9

60 - 60

49,0

34,4470

3,25

0,9906

3,2

70 - 70

46,0

32,3380

4,50

1,3716

3,5

80 - 80

45,0

31,6350

5,75

1,7526

3,7

90 - 90

42,0

29,5260

7,25

2,2098

4,0

100 - 100

40,0

28,1200

8,50

2,5908

4,4

Tabla 2: Datos registrados a una velocidad de 3300 rpm

Rotámetro

Manómetro

Vacuómetro

Balanza

Caudal (%)

Psalida (psi)

Psalida (mH20)

Psuccion

(ft H20)

Psuccion (mH20)

Fuerza (kgf)

0 - 0

49,0

34,45

0

0

1,7

10 - 10

48,5

34,10

0,25

0,0762

1,8

20 - 20

48,0

33,74

0,50

0,1524

2,0

30 - 30

47,0

33,04

1,00

0,3048

2,2

40 - 40

46,0

32,34

1,50

0,4572

2,5

50 - 50

45,5

31,99

2,25

0,6858

2,7

60 - 60

44,5

31,28

3,25

0,9906

3,0

70 - 70

42,5

29,88

4,25

1,2954

3,3

80 - 80

39,5

27,77

5,75

1,7526

3,5

90 - 90

37,5

26,36

7,25

2,2098

3,8

100 - 100

35,5

24,96

8,75

2,6670

4,0

RESULTADOS

Aplicando Bernoulli entre la entrada y salida de agua;

Hb = (Psal - Pent)/ + (v2sal - v2ent)/2g + hsal - hent

y anulando las presiones dinámicas y las alturas, obtenemos:

Hb = (Psal - Pent)/

Con esta fórmula, obtenemos los valores de la altura de bomba (Hb), para ambas velocidades:

TABLA 3:

Caudal (%)

Caudal total (LPM)

Hb (m) a 3450 rpm

Hb (m) a 3300 rpm

0 - 0

0

37,2590

34,4500

10 - 10

65,1

36,9837

34,1762

20 - 20

130,2

36,7084

33,8924

30 - 30

195,3

36,1578

33,3448

40 - 40

260,4

35,6072

32,7972

50 - 50

325,5

35,4843

32,6758

60 - 60

390,6

35,4376

32,2706

70 - 70

455,7

33,7096

31,1754

80 - 80

520,8

33,3876

29,5226

90 - 90

585,9

31,7358

28,5698

100 - 100

651,0

30,7108

27,6270

Calculando,

Potencia del eje = F × n y Rendimiento () =  × Q × H

2400 Potencia del eje × 76

Obtenemos;

TABLA 4

A 3450 rpm

A 3300 rpm

Caudal (m3/s)

Hb (m)

Potencia eje (HP)

 (%)

Hb (m)

Potencia eje (HP)

 (%)

0

37,2590

2,5875

0

34,4500

2,3375

0

0,0011

36,9837

2,8750

0,1862

34,1762

2,4750

0,1998

0,0022

36,7084

3,1625

0,3360

33,8924

2,7500

0,3568

0,0033

36,1578

3,4500

0,4550

33,3448

3,0250

0,4786

0,0043

35,6072

3,8813

0,5191

32,7972

3,4375

0,5398

0,0054

35,4843

4,1688

0,6048

32,6758

3,7125

0,6254

0,0065

35,4376

4,6000

0,6589

32,2706

4,1250

0,6691

0,0076

33,7096

5,0313

0,6699

31,1754

4,5375

0,6871

0,0087

33,3876

5,3188

*0,7186

29,5226

4,8125

0,7022

0,0098

31,7358

5,7500

0,7117

28,5698

5,2250

0,7051

0,0109

30,7108

6,3250

0,6964

27,6270

5,5000

**0,7204

*: Rendimiento máximo de la bomba a 3450 rpm

**: Rendimiento máximo de la bomba a 3300 rpm

Usando los valores obtenidos en el gráfico HQ (Gráfico 1, Tabla 1) de la bomba, a una velocidad de 3450 rpm, mediante la aplicación de las leyes de semejanza calculamos los valores de la curva HQ de la bomba, pero ahora para una velocidad de 3300 rpm, con motivo de comparar y comprobar los cálculos obtenidos en el ensayo a 3300 rpm.

A través de las fórmulas de semejanza, se obtuvo los siguientes datos:

Q1/Q2 = n1/n2 ; H1/H2 = (n1/n2) 2 ; N1/N2 = (n1/n2)3

A 3450 rpm

A 3300 rpm

Caudal Q1 (LPM)

Hb1 (m)

Potencia (HP)

Caudal Q2 (LPM)

Hb2 (m)

Potencia (HP)

0

37,2590

2,5875

0

34,09

2,2645

65,1

36,9837

2,8750

62,27

33,84

2,5161

130,2

36,7084

3,1625

124,54

33,59

2,7677

195,3

36,1578

3,4500

186,81

33,08

3,0193

260,4

35,6072

3,8813

249,08

32,59

3,3967

325,5

35,4843

4,1688

311,35

32,47

3,6483

390,6

35,4376

4,6000

373,62

32,42

4,0257

455,7

33,7096

5,0313

435,88

30,84

4,4032

520,8

33,3876

5,3188

498,16

30,55

4,6548

585,9

31,7358

5,7500

560,43

29,04

5,0321

651,0

30,7108

6,3250

622,70

28,09

5,5353

Con estos datos, se graficó tanto la curva HQ real como la curva HQ teórica, ambas registradas en el gráfico 2.

CONCLUSION

A pesar de que los datos tomados en el ensayo no reflejaron un fiel registro de los verdaderos parámetros en los cuales funcionaba la bomba, las aproximaciones de los datos para la conclusión final fueron viables.

Al ensayar la bomba y haciendo un parámetro de los datos obtenidos se puede ver que a medida que la cantidad de caudal que pasaba por los rotámetros aumentaba, la presión de salida (Psal) disminuía; no así con la presión de succión (Psuc) ya que ésta, al igual que los caudales (Q), aumentaba. Esto es debido a que la presión de salida era la presión que ejercía el agua al entrar al rotámetro y, la sección donde se tomaba la presión de succión era corrugada, lo cual influyó en el momento del cálculo de la altura ya que finalmente las presiones se sumaban. Esto se vio reflejado para ambas velocidades de ensayo (3450 y 3300 rpm), aunque los valores de presión de salida disminuían con la velocidad y los valores para la presión de succión eran casi similares para ambas velocidades.

Al hacer el ensayo a 3450 rpm, graficar HQ y determinar la curva de rendimiento pude observar que la bomba tiene un mayor rendimiento (71,86%) para un caudal (Q) de 520,8 LPM y una altura de bomba (Hb) de 33,38 m aprox., como se muestra en el gráfico 1. Contrario a esto fue el resultado, sólo teórico, del rendimiento de la bomba a una velocidad de 3300 rpm, ya que ésta tiene un valor casi igual de rendimiento máximo (72,04 %) pero a un caudal total de 651 LPM y a una altura de 30,7 m aprox.

Posteriormente en el cálculo mediante análisis de semejanza, los valores arrojados fueron casi similares, comprobando la veracidad de estas leyes. Aunque en el gráfico se distingue en menor proporción esta diferencia (Gráfico 2), nuestro ensayo está acorde con resultados anteriores donde en la curva de rendimiento coincide con la cantidad de caudal (Q) necesaria para obtener un valor máximo. Es así como se puede concluir que los valores obtenidos en la curva de rendimiento son los que dictan los parámetros de evaluación de una bomba, los cuales son los que uno debe medir en el momento de la adquisición de una bomba.

En suma, los objetivos planteados al principio de este informe fueron ampliamente desarrollados en este ensayo, que dejan claro los componentes, funcionamiento y objetivo de estudio de las bombas centrífugas.

9

7

8

5

6

4

3

2

1

10

7

Bomba centrífuga