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Estudio de Bomba Centrífuga

Enviado por frhermos



1 - introducción

2 - metodología.

3 . resultados

4 - análisis y discusión de resultados

5 - bibliografía

1 - INTRODUCCIÓN

La presente experiencia ha tenido como objetivo principal el ensayo de bomba centrífuga. A partir de esta experiencia y de la toma de datos, es posible la confección de las curvas características para la misma; dentro de éstas, la energía suministrada por la bomba (en metros), la potencia de eje y la de eficiencia.

Una vez obtenidas estas curvas, en especial la de la energía medida en metros, se procederá a comparar con la existente en el banco de ensayos de la bomba centrífuga, la cual se encuentra trabajando a 1450 revoluciones por minuto (rpm); por lo tanto, se debe utilizar la teoría de semejanza para adecuar estos datos a las rpm con las que se trabajó en el laboratorio.

Luego de analizados estos resultados se trabajo con la misma bomba, pero operándola a un promedio de 800 rpm, velocidad a la cual se deben construir las correspondientes curvas para ser comparadas con las obtenidas a 1050 rpm, además de aplicar la teoría de la semejanza entre las dos series de valores obtenidas experimentalmente.

2 - METODOLOGÍA.

2.1 - Método Experimental

La experiencia, como fue señalado en el inciso anterior, consistió en realizar mediciones de:

  1. Caudal: mediante un sistema conectado a un Venturímetro.
  2. Presiones a la entrada y a la salida de la bomba mediante un manómetro.
  3. Fuerza que ejerce el motor al girar mediante un sistema de freno.
  4. Rpm de la bomba en forma directa mediante un sistema digital.

Para ello fue necesario variar el caudal mediante una válvula dispuesta a la salida de la bomba, de forma que se realizaran siete mediciones pasando desde la válvula completamente abierta hasta la misma cerrada. Se espera que la variación del caudal provoque un cambio en los valores de las presiones a la entrada y a la salida de la bomba como así mismo, un cambio en sus rpm, y de variación de la fuerza.

Estos datos servirán para calcular, mediante determinadas relaciones (que se indicarán mas adelante), la altura, eficiencia y potencia de la bomba, como contamos con un set de caudales, contaremos también con un set de datos que entraremos a graficar.

En la figura 2.1, se presenta el esquema del circuito a trabajar.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 2.1

2.2 - Datos Experimentales

Tabla 2.2.1: Variables obtenidas experimentalmente a 1050 Rpm.

Caudal

[GAL/min.*10]

Pe

[Kgf/cm2]

Ps

[Kgf/cm2]

F

[lbf]

Rpm bomba

Intensidad

[A]

Voltaje

[Volt]

30

-0.24

0.1

21.5

1048

30

90

25

-0.18

0.4

19.5

1051

29

90

22

-0.16

0.5

18.7

1058

27

90

18

-0.13

0.6

17.1

1067

25

90

14

-0.10

0.7

15.8

1073

25

90

8

-0.06

0.85

14.3

1085

22

90

0

0

1

8.7

1116

16

90

Tabla 2.2.2: Variables obtenidas experimentalmente a 800 rpm

Caudal

[GAL/min.*10]

Pe

[Kgf/cm2]

Ps

[Kgf/cm2]

F

[lbf]

Rpm bomba

Intensidad

[A]

Voltaje

[Volt]

17

-0.25

0

12.4

774.3

19.5

65

16

-0.22

0.1

12.1

776.9

19

65

15

-0.19

0.15

11.9

777.2

18.5

65

14

-0.18

0.2

11.5

777.7

18

65

12

-0.13

0.3

11

782

18

65

10

-0.11

0.3

10.8

785.3

17.5

65

8

-0.07

0.4

10.2

788

16.5

65

0

0

0.6

6.2

822.5

11

69

2.3 - Datos del Fabricante

Bomba SDB 2/3

Diámetro del rodete = 215mm

Brazo = 321.5mm

=0.92

3 . RESULTADOS

3.1 - Fórmulas

Fig. 3.1

Si se analiza el caso presentado en la figura 3.1, aplicando la ecuación Bernoulli se obtiene:

 

 

Donde

C: velocidad del fluido.

p: presión (el subíndice e indica entrada y s salida).

Z: altura.

g: aceleración de gravedad.

: corresponde al producto entre g y la densidad del fluido ().

Como Ce » Cs y Ze » Zs, , así el termino para la energía entregada por la bomba al fluido, expresada en altura es:

Esta bomba esta acoplada a un motor eléctrico monofásico, al cual se le suministra una potencia, Nelec dada por:

Para calcular la potencia eje del motor eléctrico se dispone de un sistema de freno, mediante el cual se registra la fuerza del motor a una distancia, b, del eje de giro, de esta forma la calculamos mediante la expresión:

Conocidas estas dos potencias podemos calcular la eficiencia del motor eléctrico:

Continuando, con las características de la bomba. Como el motor está conectado con un sistema de transmisión por correa a la bomba, la potencia eje de la bomba se ve afectada por el rendimiento mecánico de dicha transmisión, , así tenemos:

Por último la potencia útil, es decir la potencia suministrada al fluido es:

Así la eficiencia d la bomba es:

3.2 - Tablas y Datos calculados

Tabla 3.2.1: Datos obtenidos tras la aplicación de fórmulas y relaciones para 1050 rpm

Caudal

[m3/s]

Pe

[Pa]

Ps

[Pa]

Hb

[m]

F

[N]

[N*m]

bomba

0.0227

-23535.96

9806.65

3.4

95.637

30.747

109.75

0.0189

-17651.97

39226.6

5.8

86.740

27.887

110.06

0.0166

-15690.64

49033.25

6.6

83.182

26.743

110.79

0.0136

-12748.65

58839.9

7.3

76.065

24.455

111.74

0.0106

-9806.65

68646.55

8.0

70.282

22.596

112.36

0.00605

-5883.99

83356.53

9.1

63.609

20.450

113.62

0.00

0.00

98066.5

10

38.7

12.442

116.87

motor

Potencia eje motor

Potencia eje bomba

Potencia eléctrica

Potencia Útil

[Eficiencia bomba]

[Eficiencia motor]

82.31

2530.79

2328.33

2700

757.89

0.33

0.94

82.55

2301.94

2117.79

2610

1077.39

0.51

0.88

83.09

2222.21

2044.43

2430

1078.88

0.53

0.91

83.80

2049.36

1885.41

2250

976.34

0.52

0.91

84.27

1904.21

1751.87

2250

832.19

0.48

0.85

85.22

1742.70

1603.29

1980

540.93

0.34

0.88

85.14

1090.54

1003.29

1440

0.00

0.00

0.76

Tabla 3.2.2: Datos obtenidos tras la aplicación de fórmulas y relaciones para 800 rpm.

Caudal

[m3/s]

Pe

[Pa]

Ps

[Pa]

Hb

[m]

F

[N]

[N*m]

bomba

0.012881

-24516.6250

0.0000

2.5025

55.1579

17.7333

81.0845

0.012123

-21574.6300

9806.6500

3.2032

53.8235

17.3042

81.3568

0.011365

-18632.6350

14709.9750

3.4034

52.9338

17.0182

81.3882

0.010608

-17651.9700

19613.3000

3.8038

51.1545

16.4462

81.4406

0.009092

-12748.6450

29419.9500

4.3043

48.9304

15.7311

81.8908

0.007577

-10787.3150

29419.9500

4.1041

48.0408

15.4451

82.2364

0.006061

-6864.6550

39226.6000

4.7047

45.3719

14.5871

82.5192

0.000000

0.0000

58839.9000

6.0060

27.5790

8.8666

86.1320

motor

Potencia eje motor

Potencia eje bomba

Potencia eléctrica

Potencia Útil

[Eficiencia bomba]

[Eficiencia motor]

60.8134

1078.4207

992.1471

1267.5000

315.7886

0.3183

0.8508

61.0176

1055.8635

971.3944

1235.0000

380.4323

0.3916

0.8550

61.0411

1038.8122

955.7072

1202.5000

378.9463

0.3965

0.8639

61.0804

1004.5400

924.1768

1170.0000

395.2930

0.4277

0.8586

61.4181

966.1770

888.8829

1170.0000

383.4045

0.4313

0.8258

61.6773

952.6133

876.4042

1137.5000

304.6431

0.3476

0.8375

61.8894

902.7836

830.5609

1072.5000

279.3800

0.3364

0.8418

64.5990

572.7761

526.9540

759.0000

0.0000

0.0000

0.7546

Datos calculados mediante un análisis de semejanza para la comparación con los datos del grafico suministrado por el fabricante:

Altura de la bomba con rodete de 215 mm a 1050 RPM

Caudal -1450 (m3/s)

Hb-1450

(m)

Hb-fabricante (m)

0.0314

6.5

-

0.0261

11.0

11.9

0.0228

12.4

13.4

0.0185

13.5

14.3

0.0143

14.6

15.8

0.0081

16.2

16.7

0

16.9

17.0

Eficiencia de la bomba con rodete de 240 mm

Caudal -1450 (m3/s)

-1050

(%)

-fabricante (%)

0.0437

32

-

0.0364

51

-

0.0318

53

67

0.0258

52

75

0.0199

48

77

0.0113

34

68

0

0

0

Si se compara el punto cuando la válvula esta cerrada, con la bomba funcionando a 822.5 rpm con una altura de 6.006 m, se obtiene lo siguiente mediante el teorema de la semejanza.

Caudal -1450 (m3/s)

Hb-1450 (800) (m)

Hb-fabricante (m)

 

Caudal -1450 (m3/s) d=240

-800

(%)

-fabricante (%)

0.000E+00

18.666

17.000

 

0.000E+00

0.00

0.00

1.115E-02

15.930

16.459

 

1.551E-02

33.64

73.00

1.399E-02

13.992

16.002

 

1.946E-02

34.76

77.00

1.686E-02

14.799

15.392

 

2.345E-02

43.13

75.00

1.978E-02

13.223

14.478

 

2.751E-02

42.77

72.00

2.120E-02

11.846

14.021

 

2.949E-02

39.65

70.00

2.263E-02

11.158

13.411

 

3.147E-02

39.16

66.00

2.412E-02

8.776

12.497

 

3.355E-02

31.83

-

3.3 - Gráficos

Bomba operando a 1050 rpm

Bomba operando a 800 rpm.

4 - ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Parte experimental 1: Bomba a 1050 rpm.

El primer análisis que podemos realizar es el de las curvas obtenidas a través de los datos experimentales de laboratorio. Estas muestran una tendencia muy similar a la vista en clases, por lo que podemos concluir que los resultados obtenidos concuerdan con la teoría vista acerca de las bombas centrifugas.

Si analizamos los resultados obtenidos, y los comparamos con los que entrega el fabricante de la bomba a través de la teoría de la semejanza, vemos que estos discrepan parcialmente, ya sea tanto en los resultados obtenidos de la altura como la eficiencia de la bomba.

En el caso de la altura de la bomba se obtuvieron resultados muy similares con los estregados por el fabricante, solo con una muy pequeña discrepancia , la que fue aumentando en un muy pequeño grado junto con el caudal, pero puede observarse muy claramente que los resultados obtenidos siguen la misma tendencia de curva gráfica que los entregados por el fabricante.

Para la eficiencia se encuentra una discrepancia algo mayor que para la altura, obteniéndose también datos menores que los especificados por el fabricante, pero que al igual que en el caso anterior estos siguen una misma tendencia esperada.

Parte experimental 2: Bomba a 800 rpm.

Las curvas que se construyeron, en base a los datos recogidos cuando la bomba gira a una velocidad promedio cercana a las 800 rpm, también se aproximan bastante en su forma a las vistas en clases y a las construidas en base a los otros datos experimentales (1050 rpm). Al analizarlas, se puede observar un descenso de todas las variables como por ejemplo, la altura de la bomba, el caudal, la diferencia de presión generada, las potencia, etc; lo que es concordante a lo que nos dice el teorema de la semejanza (especialmente en referencia de las dos primeras : altura y caudal), puesto que muestra una dependencia directa con el número de vueltas que da el rodete y el diámetro de este mismo, variable que no influye que es la misma en los dos casos. Es importante destacar que el descenso observado la altura con respecto a los datos recogidos de la primera experiencia (1050 rpm) es mas brusco, lo que se debe a que la dependencia de la altura es proporcional al cuadrado del número de vueltas, a diferencia del caudal cuya proporcionalidad a las revoluciones es lineal.

Al calcular mediante el teorema de la semejanza la altura alcanzada para un valor nulo de caudal, se obtiene como resultado un número mayor que el obtenido del fabricante, pero de todas maneras se encuentra dentro de los ordenes de magnitud, y puede atribuirse esta diferencia a alguno de los tantos factores a los que esta sujeto esta experiencia. El resto de los valores calculados mediante la teoría de semejanza, al igual que en el caso anterior son bastante aceptables, aunque a medida que aumenta el caudal, el valor de la altura se aleja cada vez más del estipulado por el fabricante. Por otro lado, los valores de las eficiencias, se alejan bastante de la estipulada por el fabricante, pero son de un orden similar a las calculadas mediante los datos recogidos a una velocidad de giro aproximada a las 1050 rpm.

Análisis de los errores.

Las discrepancias observadas pueden ser posible a múltiples factores entre los que podemos enumerar:

  • Una posible imprecisión en los instrumentos para medir la presión y el volumen, ya que estos oscilaban, o en el caso del caudal, era muy difícil obtener una medición exacta.
  • El dato utilizado para la eficiencia de transmisión de la bomba, 0.92, el que era algo impreciso ya que esta variaba entre 0.92 y 0.94, sin poseer el valor exacto, lo que pudo inducir a posibles errores de calculo.
  • El supuesto que la eficiencia solo dependía del tamaño del rodete, sin tomar en cuenta las variaciones velocidad angular, que pueden influir, aunque en menor grado en la eficiencia de la bomba.
  • A la posible cavitación que pudo sufrir la bomba, la que pudo producir perdidas, bajando la eficiencia de esta.
  • Al tiempo que llevaba funcionando, ya que esto pudo llevar consigo al desgaste de los materiales, lo que pudo en alguna medida bajar el rendimiento de la bomba.

A pesar de todo esto, podemos concluir que es posible confiar en los datos entregados por el fabricante para el uso de estas bombas, pero que se debe tener en cuenta pequeñas discrepancias producidas por estos o otros factores. Además podemos concluir que la teoría vista en clases acerca del funcionamiento de las bombas es totalmente aplicable en la practica.

5 - BIBLIOGRAFÍA

- Parés, J.A. , "Máquinas y equipos para la introducción de energía en los procesos", Depto. de Ingeniería Química, Universidad de Concepción, 1984.

 

Franco Alexander Hermosilla Torres


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