Banco de Ensayos de Bombas Centrífugas

Laboratorio de Aerodinámica y Fluidos
Banco de Ensayos de Bombas Centrífugas
1.- Objetivos.
•
Determinación de las curvas características de una bomba radial.
•
Conocer y manejar el instrumental del laboratorio.
2.- Fundamento teórico.
El impulso de líquidos a través de tuberías mas o menos largas venciendo con esto
grandes desniveles geodésicos o diferencias de presión, es una exigencia tan
importante y tan difundida en la técnica moderna que las máquinas que cumplen con
esta tarea, las bombas, pueden ser consideradas como las que se instalan (junto al
motor eléctrico) con mayor frecuencia.
Estudiaremos el comportamiento de las bombas rotativas, ya que son universales, no
solo en cuanto al número de unidades en servicio, sino también en la multiplicidad de
sus diseños y en su adaptabilidad a las condiciones de servicios mas diversas. Además,
las bombas rotativas ocupan un mínimo de espacio, peso y fundación.
Las bombas rotativas gozan tanto de una gran seguridad de marcha como de un
desgaste mínimo y no existe en ellas el peligro de presiones anormales. Estas ventajas
superan sus dos desventajas: la de un rendimiento mecánico inferior a las bombas de
pistón y la de una altura de aspiración reducida.
Toda bomba rotativa consta fundamentalmente de una rueda móvil provista de
paletas. El rodete, al ser puesta en rotación por medio de un motor de
accionamiento, ejerce fuerzas sobre el líquido, transmitiéndole energía, con lo que
puede adquirir tanto una presión elevada como un mayor velocidad de escurrimiento.
La transmisión de energía al fluido por las paletas es el principio fundamental y
común para toda clase de bombas rotativas, mientras que la forma de la rueda móvil
con sus paletas puede ser muy distinta, tal como se ve en el esquema siguiente.
Bombas
Radiales
Tipo Francis
Helicoidales
Axiales
2.1.- Bombas Radiales
Los rodetes radiales pueden ser de tres tipos:
a) Rodete Abierto
b) Rodete Semicerrado
c) Rodete Cerrado
Diagonales
Centrífugas
Laboratorio de Aerodinámica y Fluidos
El líquido que entra axialmente por un tubo de aspiración A ataca al rodete R
radialmente y es impulsado hacia afuera absorbiendo simultáneamente cierta energía
de este. La explicación usual de que el líquido es impulsado por fuerzas centrifugas,
no es correcta, constituyendo estas solo una parte de la energía total cedida al fluido.
A la salida del rodete reina una presión elevada y además una velocidad de corriente
alta. Para que esta velocidad se transforme parcialmente en presión, se coloca
alrededor de la rueda móvil una caja envolvente C que forma un difusor, o sea un
canal que se va ensanchando gradualmente. A causa de su forma característica se la
llama caja espiral.
Figura 1: Esquema de bomba radial estándar.
2.2.- Energías y Alturas.
La función de una bomba consiste en la elevación de un líquido desde un nivel de
energía bajo hasta un nivel de energía elevado. La bomba tiene que transmitir al
líquido cierto trabajo para que pueda vencer la diferencia de los niveles de energía.
para la instalación de una bomba, hay que realizar, en primer lugar, la determinación
de dicho trabajo, o sea determinar la diferencia de energía del líquido entre su nivel
inicial y su nivel final.
Se considera el estado estacionario y se plantea la Ecuación de Continuidad, que
plantea el principio de conservación de la materia, o sea:
La masa en la unidad de tiempo que entra a un sistema es igual a la masa en la
unidad de tiempo que sale del mismo.
(1)
ρ1V1 A1 = ρ 2V2 A2
Laboratorio de Aerodinámica y Fluidos
Aplicando la ecuación de conservación de la energía entre puntos 1 y 2 (genéricos),
considerando que el flujo es incompresible y que no hay trabajo externo ni pérdidas
por fricción.
1
1
(2)
P1 + ρ1V12 + ρ gh1 = P2 + ρ 2V22 + ρ gh2 = cte
2
2
Dividiendo por el peso especifico del fluido ( γ = ρ g ) se puede expresar en función de
la altura:
P 1V2
(3)
+
+ h = cte
γ 2 g
Expresión que nos define la energía por unidad de peso para un punto genérico del
sistema.
Como las unidades resultantes son de longitud definimos:
Hp =
P
ρg
Altura de presión
Hx =
h
ρg
Altura geodésica
V2
Altura dinámica
2g
La ecuación de la energía total se nos presenta ahora como altura total.
H = H p + H din + H x = cte
Hdin =
(4)
Esta es la llamada Ecuación de Bernoulli, de suma importancia para los problemas
hidráulicos. Expresa la invariabilidad de la energía total de un fluido (supuesto que no
hay aporte o sustracción de energía). De aquí surge una conclusión evidente: “Si un
líquido tiene diferentes energías totales en dos lugares de un dispositivo,
necesariamente hay entre los dos lugares una máquina que ha entregado (una bomba)
o ha absorbido (una turbina) la diferencia de las energías observadas”.
Laboratorio de Aerodinámica y Fluidos
2.3.- Análisis de Instalaciones.
Se aplicará lo deducido para calcular la energía que tiene que suministrar una bomba.
Obsérvese la Figura 2:
Figura 2: Esquema de una instalación.
Se plantea la ecuación de la energía entre dos puntos; el punto 1 sobre la superficie
del tanque inferior y el punto 2 sobre la superficie del tanque superior. Entre ellos
existe un trabajo externo y pérdidas por fricción en tuberías y accesorios:
(5)
H p1 + H din1 + H x1 + H + H s + H sacc = H p 2 + H din 2 + H x 2
Donde:
H sacc =
1 K V2
2 g
Î
Pérdida de carga en accesorios
1 V2 L
Hs = f
Î
Pérdida de carga en caño recto
2 gD
W
Î
Trabajo de la bomba expresado en términos de altura
H=
ρg
El trabajo de la bomba expresado en términos de altura también se denomina altura
de diseño ó altura de elevación.
Teniendo en cuenta que para este caso:
Laboratorio de Aerodinámica y Fluidos
H P1 = H P 2
H din1 = H din 2
H x1 − H x 2 = H1 + H 2 + y
se despeja H:
H = ( H x 2 − H x1 ) + H s + H sacc
(6)
Si el problema lo planteamos entre la brida de entrada (1) y la brida de salida (2), la
ecuación queda reducida a:
(7)
H = H P 2 − H P1
El balance debe plantearse en los puntos donde se conocen ó se pueden medir las
variables del sistema.
En el sistema en el Laboratorio se dispone de un manómetro en la brida de entrada y
un manómetro en la brida de salida ó impulsión de la bomba.
2.4.- PARAMETROS CARACTERÍSTICOS DE BOMBAS
Es posible demostrar que la potencia necesaria para el accionamiento de la bomba,
expresada en HP es:
γ QH
(8)
Ne =
270 η
Donde:
Î
Peso específico del fluido en [1Kgf/dm3]
Q
Î
Caudal de fluido en [m3/h]
H
Î
Altura de elevación del fluido en [m]
η
Î
Rendimiento de la bomba.
En el banco de ensayos es posible obtener la potencia que el motor le entrega a la
bomba, expresada en HP, a partir de:
Frn
(9)
Ne =
71620
γ
Donde:
F
r
n
Î
Î
Î
Fuerza medida en la balanza en Kgf
Brazo de palanca en cm
Velocidad de rotación del motor en RPM
A partir de la expresión (8), conocida la potencia que se esta entregando, es posible
obtener el rendimiento de la bomba:
γ QH
(10)
η=
270 N e
Otra característica importante de las bombas que es necesario conocer es el la Altura
Neta de Presión Absoluta (ANPA), que es la presión disponible a la entrada de la
Laboratorio de Aerodinámica y Fluidos
bomba por encima de la presión de vapor del líquido. La entrada de la bomba es la
región donde la presión es más baja y donde puede aparecer la cavitación. Conocer el
ANPA permite evitar este fenómeno. El ANPA se define como:
P − Pv V12
(11)
−
± H 1 − H s1
ANPA = T
ρg
2g
Donde:
PT
Pv
V1
H1
H s1
Î
Î
Î
Î
Î
Presión sobre la superficie libre del liquido []
Presión de vapor del liquido []
Velocidad del fluido a la entrada de la bomba []
Altura de la superficie libre
Altura de la superficie libre
Laboratorio de Aerodinámica y Fluidos
3.- Ensayo.
3.1.- Introducción.
Las curvas características de las bombas son las que definen su performance. Estas
curvas las suele proveer el fabricante y con ellas, más la información de la
instalación, se realiza la selección del equipo necesario.
3.2.- Equipo a utilizar.
3.2.1.- Elementos del banco.
En la Figura 3 se observa un esquema del banco de ensayos. Los números encerrados
en círculos son elementos del banco; los que están encerrados en cuadrados
corresponden a elementos de medición y control.
Figura 3: Esquema del Banco de Ensayos (Ver referencias).
Laboratorio de Aerodinámica y Fluidos
1. Estructura Soporte.
2. Motor de 4 HP, 2 velocidades 1450/2900
R.P.M., 380 V.
3. Cajas soportes con rodamientos.
4. Manchón de acople flexible.
5. Bomba Schmitt Mod. 32L12S de 30 m3/h.
6. Tanques de succión, capacidad 1000 l c/u,
marca Eternit.
7. Tanque de descarga, capacidad 1000 l,
marca Eternit.
8. Cañería de aspiración.
10. Válvula de retención y filtro
vertical.
11. Válvula esférica (cierre rápido).
12. Válvula globo (de regulación).
13. Válvula de descarga (esférica,
cierre rápido).
14. Interruptor Automático de corte
del motor.
15. Placa divisoria del tanque.
16. Filtro en “Y”.
17. Caños de comunicación entre los
tanques.
9. Cañería de impulsión.
3.2.2.- Elementos de medición y control.
1. Vacuómetro tipo Bourdón, capacidad 20 cm Hg, marca Piterma.
2. Manómetro tipo Bourdón, capacidad 0 a 3 Bar en baño de glicerina, marca
Piterma.
3. Manómetro tipo Bourdón en baño de glicerina, capacidad 0 a 1 Bar, marca
Piterma.
4. Balanza tipo dinamométrica, capacidad de 100 g a 10 Kg., marca Finibal.
5. Caudalímetro a turbina, con visor digital, marca GPI.
6. Control de nivel.
7. Tacómetro Luftman R600-A, Rango 200-20000 R.P.M.
3.3.- Medición de Parámetros
A continuación se lista la forma de obtener los diferentes parámetros necesarios para
obtener las curvas requeridas. Utilice la tabla que se encuentra al final para volcar las
mediciones.
a) El momento torsor del equipo es calculado por pesada directa y brazo de
palanca en el estator del motor.
b) La velocidad de rotación del motor se mide en el extremo de su eje con el
tacómetro.
Laboratorio de Aerodinámica y Fluidos
c) La carga desplazada por la bomba, se mide mediante la presión indicada en los
manómetros, antes y después de la bomba.
d) El caudal se obtiene por lectura del caudalímetro.
e) Parámetros fijos:
a. Brazo de palanca = 50 cm
b. Diámetro del impulsor = 14 cm
c. Velocidad del motor = 1490 – 2990 RPM
3.3.1.- INFORME.
El informe debe tener completos al menos los siguientes ítem:
• Trazar las siguientes curvas características de la bomba para dos velocidades
del motor (1480 RPM y 2850 RPM)
o H = f(Q)
o N = f(Q)
o η = f(Q)
o ANPA = f(Q)
•
¿Coinciden las curvas obtenidas con las del fabricante? ¿Qué significa?
•
¿como influyen la densidad y la temperatura de los fluidos en la selección de
bombas?
•
¿Qué entiende por curvas de campos para la selección de bombas?
Interpretación.
Apertura de
Altura de Altura de
Fuerza Caudal
la Válvula
Aspiración. impulsión
[Vueltas]
Cerrada
1/2
1
1 1/2
2 1/2
Abierta
[Kgf]
[L/min]
[cm Hg]
[Kgf/cm2]