Bomba centrífuga

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
1
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
Caudal (%)
Psalida (psi)
0−0
10 − 10
20 − 20
30 − 30
40 − 40
50 − 50
53,0
52,5
52,0
51,0
50,0
49,5
Vacuómetro
Psuccion
Psalida (mH20)
37,2590
36,9075
36,5560
35,8530
35,1500
34,7985
(ft H2O)
0
0,25
0,50
1,00
1,50
2,25
Balanza
Psuccion
(mH20)
Fuerza (kgf)
0
0,0762
0,1524
0,3048
0,4572
0,6858
1,8
2,0
2,2
2,4
2,7
2,9
2
60 − 60
70 − 70
80 − 80
90 − 90
100 − 100
49,0
46,0
45,0
42,0
40,0
34,4470
32,3380
31,6350
29,5260
28,1200
3,25
4,50
5,75
7,25
8,50
0,9906
1,3716
1,7526
2,2098
2,5908
3,2
3,5
3,7
4,0
4,4
Tabla 2: Datos registrados a una velocidad de 3300 rpm
Rotámetro
Manómetro
Caudal (%)
Psalida (psi)
0−0
10 − 10
20 − 20
30 − 30
40 − 40
50 − 50
60 − 60
70 − 70
80 − 80
90 − 90
100 − 100
49,0
48,5
48,0
47,0
46,0
45,5
44,5
42,5
39,5
37,5
35,5
Vacuómetro
Psuccion
Psalida (mH20)
34,45
34,10
33,74
33,04
32,34
31,99
31,28
29,88
27,77
26,36
24,96
(ft H20)
0
0,25
0,50
1,00
1,50
2,25
3,25
4,25
5,75
7,25
8,75
Balanza
Psuccion
(mH20)
Fuerza (kgf)
0
0,0762
0,1524
0,3048
0,4572
0,6858
0,9906
1,2954
1,7526
2,2098
2,6670
1,7
1,8
2,0
2,2
2,5
2,7
3,0
3,3
3,5
3,8
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 (%)
0−0
10 − 10
20 − 20
30 − 30
40 − 40
50 − 50
60 − 60
70 − 70
Caudal total (LPM)
0
65,1
130,2
195,3
260,4
325,5
390,6
455,7
Hb (m) a 3450 rpm
37,2590
36,9837
36,7084
36,1578
35,6072
35,4843
35,4376
33,7096
Hb (m) a 3300 rpm
34,4500
34,1762
33,8924
33,3448
32,7972
32,6758
32,2706
31,1754
3
80 − 80
90 − 90
100 − 100
520,8
585,9
651,0
33,3876
31,7358
30,7108
29,5226
28,5698
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
Potencia eje
(%)
(HP)
0
37,2590
2,5875
0
0,0011
36,9837
2,8750
0,1862
0,0022
36,7084
3,1625
0,3360
0,0033
36,1578
3,4500
0,4550
0,0043
35,6072
3,8813
0,5191
0,0054
35,4843
4,1688
0,6048
0,0065
35,4376
4,6000
0,6589
0,0076
33,7096
5,0313
0,6699
0,0087
33,3876
5,3188
*0,7186
0,0098
31,7358
5,7500
0,7117
0,0109
30,7108
6,3250
0,6964
*: Rendimiento máximo de la bomba a 3450 rpm
**: Rendimiento máximo de la bomba a 3300 rpm
Caudal (m3/s) Hb (m)
Hb (m)
34,4500
34,1762
33,8924
33,3448
32,7972
32,6758
32,2706
31,1754
29,5226
28,5698
27,6270
Potencia eje
(HP)
2,3375
2,4750
2,7500
3,0250
3,4375
3,7125
4,1250
4,5375
4,8125
5,2250
5,5000
(%)
0
0,1998
0,3568
0,4786
0,5398
0,6254
0,6691
0,6871
0,7022
0,7051
**0,7204
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
Caudal Q1
(LPM)
0
65,1
130,2
195,3
260,4
325,5
Hb1 (m)
37,2590
36,9837
36,7084
36,1578
35,6072
35,4843
A 3300 rpm
Caudal Q2
Potencia (HP)
(LPM)
2,5875
0
2,8750
62,27
3,1625
124,54
3,4500
186,81
3,8813
249,08
4,1688
311,35
Hb2 (m)
34,09
33,84
33,59
33,08
32,59
32,47
Potencia
(HP)
2,2645
2,5161
2,7677
3,0193
3,3967
3,6483
4
390,6
455,7
520,8
585,9
651,0
35,4376
33,7096
33,3876
31,7358
30,7108
4,6000
5,0313
5,3188
5,7500
6,3250
373,62
435,88
498,16
560,43
622,70
32,42
30,84
30,55
29,04
28,09
4,0257
4,4032
4,6548
5,0321
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
5
3
2
1
10
7
6