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5/14/2018 BANCO HIDRAULICO - slidepdf.com

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3er Curso. INGENIERO QUÍMICO Curso 2011-12

EXP. QUÍMICA III EXPERIENCIA BANCO HIDRAULICO

Ana Conde Ramírez 1

INDICE:

1. INTRODUCCIÓN/OBJETIVOS.

2. DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS.

3. CURVAS CARACTERÍSTICAS B1.a. OPERACIÓN.

b. DATOS.

c. CÁLCULOS/RESULTADOS.

d. GRÁFICAS H-Q, W-Q, RENDIMIENTO.

4. CURVA CARACTERÍSTICA B2 A 2400 Y 1500 rpm.

a. OPERACIÓN (CEBADO)

b.

DATOSc. CÁLCULOS/RESULTADOS

d. GRÁFICAS H-Q, W-Q, RENDIMIENTO-Q.

5. LEYES DE SEMEJANZA.

a. TEORIA

a. GRÁFICA TEÓRICA H-Q DE B2 A 2400

OBTENIDA A PARTIR DE LA GRÁFICA

EXPERIMENTAL DE 1500. COMPARACIÓN

CON LA EXPERIMENTAL.

b. DISCUSIÓN DE RESULTADOS.

6. NPSHd

a. TEORÍA (DEFINICIÓN, CAVITACIÓN, ETC).

b. CALCULO NPSHd PARA LA BOMBA B2 A 2400 rpm.

7. BOMBAS EN SERIE .

a. TEORÍA.

b. OPERACIÓN.

c. DATOS.

d. CÁLCULOS/RESULTADOS.

e. GRÁFICAS H-Q, W-Q, RENDIMIENTO-Q.

f. GRAFICA (H-Q) DE COMPARACIÓN ENTRE LOS DATOS

EXPERIMENTALES Y LA TEÓRICA.

g. DISCUSIÓN DE RESULTADOS.






1. Introducción y objetivos

En la ingeniería se suelen dar situaciones donde es necesario llevar fluidos de un lugar a

otro. Para que el líquido pueda circular por la tubería es necesario aportarle una energía

mecánica en forma de presión. Esto se realiza mediante una bomba, por lo que es

necesario conocer las distintas bombas que pueden ayudar a impulsar este fluido y cual

será el comportamiento del fluido en el circuito que deberá desarrollar. Cuando se

especifica una bomba se hace sobre una serie de parámetros: caudal, altura,

rendimiento, potencia, sobre la base de un punto de funcionamiento deseado. Mientras

que para el estudio de la impulsión de fluidos se utiliza siempre la ecuación de

Bernouilli, que no es más que un balance de energía:

12

2

2

2

2

2

1

1

1

22hf

V gZ

PW

V gZ

Pbomba

Pi = presión del punto i (en Pa).

Zi = cota del punto i (en m).

Vi = velocidad del punto i (en m/s).

η = Rendimiento de la bomba.

Wbomba = Potencia que suministra la bomba (en m2 /s2)

ρ = Densidad del fluido que circula por el sistema (en kg/m 3).

hf 12 = Pérdida de carga entre los puntos 1 y 2 (en m2 /s2).

En esta práctica se llevarán a cabo una serie de experiencias donde el objetivo principal

es comprender mejor el funcionamiento de las bombas y el comportamiento de los

fluidos ante distintas situaciones y obstáculos o accesorios.






2. Descripción de equipos

En la práctica existe un montaje principal, el banco hidráulico, con el que se trabajará

durante toda la experiencia.

El esquema general de la instalación de banco hidráulico es el que se muestra a

continuación:

Consta de dos bombas que pueden ser dispuestas en paralelo o en serie según queramos

mediante un conjunto de tuberías y válvulas, un depósito de 150L de volumen que

contiene agua que será el fluido utilizado por las bombas y un conjunto de tuberías y

válvulas que se usan para limpiar el sistema. Una de las bombas esta junto al depósito

en la parte inferior y la otra está colocada sobre el depósito. Ambas descargan a una

pileta el agua para que después vuelva al depósito.






o T1: Tanque de agua

o T2: Tanque de agua

o B1: Bomba centrífuga. Proporciona una altura máxima de 24 m.

o B2: Bomba centrífuga. La altura máxima depende de la velocidad a la quehagamos girar el rodete.

o V1: Válvula de bola



o V4: Válvula de membrana

o V5: Válvula de membrana

o V6: Válvula de tajadera.

Sobre este montaje hay un cuadro de instrumentos donde se dispone de un vatímetro,

dos manómetros y dos vacuómetros que controlan y miden el circuito.

Cada bomba tiene un manómetro (P2) en la impulsión y un vacuómetro (P1) en la

aspiración.

El manómetro de la bomba 1 mide en metros de columna de agua, con una precisión de

0.5 m.c.a, desde 0 hasta 25 m.c.a. El vacuómetro de la bomba 1 mide en cmHg, con unaprecisión de 1 cmHg, desde 0 hasta 76 cmHg

El manómetro de la bomba 2 mide también en m.c.a, con una precisión de 0,5 m.c.a,

desde 0 hasta 60 m.c.a. El vacuómetro de esta bomba tiene dos escalas: una en cmHg,

con una precisión de 10 cmHg y con un rango de 0 a 76 cmHg; y la otra en Kg/cm2, con

una precisión de 0,1 y con un rango de 0 a 3 Kg/cm 2.

El vacuómetro de la bomba 1 mide en unidades de cmHg, tiene una precisión de 1, conun intervalo de 0 a 76.

Mientras que el Vacuómetro de la bomba 2 tendrá dos escalas; una en cmHg, con una

precisión de 10 y intervalo de 0 a 76 cmHg; y la otra en Kg/cm2, con una precisión de

0,1 y un rango de 0 a 3 Kg/cm2.

El Vatímetro, realiza la medición en W,con precisión de 20.






3. Curva característica B1

a. Operación

En esta experiencia se quiere obtener las curvas H-Q, W-Q y rendimiento-Q para la

bomba B1. Se medirán una serie de datos al poner en funcionamiento la bomba1 e ir

variando el caudal de salida. Para ello se abrirán las válvulas V2 y V4 manteniendo el

resto cerradas, de manera que el agua pase del tanque 1 al dos. La válvula V4 es una

válvula de membrana que se irá regulando según el caudal deseado, tendrá seis

posiciones: cerrada, con un cuarto de vuelta, la mitad, tres cuartos, una vuelta y abierta

totalmente. La medida del caudal se realizará midiendo el volumen impulsado de agua

hacia el tanque 2, y cronometrando el tiempo invertido para desplazar este volumen. Se

podrá vaciar fácilmente el tanque 2 abriendo V6, el agua pasa de nuevo a T1. Con los

volúmenes y el tiempo obtenidos se podrán calcular los caudales. Para cada caso

también se tomarán los datos de presión en la aspiración y en la impulsión de B1, el

aumento de volumen, el tiempo y la potencia eléctrica consumida

b. Datos.

(cmHg) (m.c.a) Potencia(W) V(L) t(s)

Cerrada 0 23.5 23 440 0 0

¼ vuelta 0 22 22 500 5 18

½ vuelta 0 20 18 600 20 40

¾ vuelta -2 16 11 700 30 24

1 vuelta -5 13,5 7 740 40 21

Abierta -8 10 0 780 40 18

c. Cálculos/resultados.






(Pa) (Pa) Potenci

a (W)

Q

(

Altura(

m)

Rendimiento

(%)

Cerrada 0 230300 0 0 0 0

¼

vuelta

0 215600 59,88 0,278 5 11,98

½

vuelta

0 196000 175,5 0,875 35 28,58

¾

vuelta

-2666,448 156800 232,55

5

1,458 35 32.22

1 vuelta -6666,12 132300 231,61 1,667 35 31,30

Abierta -10665.79 98000 211,29 1,944 35 27,09

Donde:

P=ρgh

Pot=ρgQHb

η =Pot/ Pot(eléctrica)

d. Gráficas

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5

H ( m )

Q (L/s)

BOMBA1

BOMBA1






0

50

100

150

200

250

0 0.5 1 1.5 2 2.5

P O T E N C I A ( W )

Q (L/s)

POTENCIA (W)

POTENCIA (W)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 0.5 1 1.5 2 2.5

R E N D I M I E N T O ( % )

Q (L/s)

RENDIMIENTO(%)

RENDIMIENTO(%)






4. Curva característica bomba 2 a 2400 y 1500 rpm

a. Operación de cebado.

En esta situación se trabaja con B2, para ello se tendrán que mantener abiertas las

válvulas V4 y V5 y cerrar V1, V2 y V3, aunque realmente V2 es indiferente si está

abierta o cerrada, ya que por esa rama no va a circular agua.

Al poner en marcha la bomba 2 el agua de T1 no consigue subir, debido a que la

aspiración de la bomba está llena de aire y esta se encuentra elevada sobre el tanque.

Las bombas centrífugas no pueden aspirar el agua si la tubería está llena de aire. Para

ello se tendrá que cebar la bomba, este procedimiento consiste en llenarla de agua con

ayuda de B1. El cebado de la bomba es necesario en esta ocasión porque la densidad del

aire es mucho menor que la del agua y la depresión a la que da lugar la bomba al

ponerla en marcha es insignificante a la necesaria para aspirar el agua.

Para cebar la bomba se abrirá V3, se cerrará V2 y se pondrá en funcionamiento B1, de

forma que el agua llenará la tubería que hay entre B2 y T1. Cuando la tubería esté llena,

se pondrá en marcha B2, parando seguidamente B1 y cerrando V3. Observado que el

agua sale por V6. Pudiendo comenzar de este modo ya la experiencia.

La experiencia consistirá en hacer lo mismo que con B1 pero a dos velocidades de giro

del rodete distintas a 2400 y a 1500 rpm. Esto se conseguirá ajustando estas rpm en un

variador de frecuencia existente en el cuadro de instrumentos y que maneja a B2.






b. Datos:

-1500rpm


Cerrada 0 9 220 0 0

¼ vuelta 0 9 220 5 43

½ vuelta 0 8 260 20 40

¾ vuelta -10 5 280 35 381 vuelta -10 3 300 35 30

Abierta -20 0 300 35 25

-2400rpm


Cerrada 0 23 400 0 0¼ vuelta 0 22 480 5 19

½ vuelta -20 18 600 55 40

¾ vuelta -40 11 700 35 24

1 vuelta -50 6 720 35 21

Abierta -50 0 680 35 20

c.

Cálculos / resultados.Los cálculos los realizaremos con la ayuda de las siguientes fórmulas.

p= ρ·g·h

=

·( )

η =






-1500rpm.

(Pa) (Pa) Potenci

a (W)

Q

(

Altura(

m)

Rendimiento

(%)

Cerrada 0 88200 0 0 9 0

¼

vuelta

0 88200 10.25 0.116 9 4.66

½

vuelta

0 78400 39.2 0.500 8 15.08

¾

vuelta

-13332.24 49000 57.41 0.921 6.4 20.50

1 vuelta -13332.24 29400 49.85 1.167 4.4 16.62

Abierta -26664.48 0 37.33 1.400 2.7 12.44

-2400rpm.

(Pa) (Pa) Potenci

a (W)

Q

(

Altura(

m)

Rendimiento

(%)

Cerrada 0 225400 0 0 23 0

¼

vuelta

0 215600 56.73 0.263 22 11.82

½

vuelta

-26664.48 176400 177.68 0.875 20.7 29.61

¾

vuelta

-53328.96 107800 234.97 1.458 16.4 33.57

1 vuelta -66661.2 58800 209.10

2

1.667 12.8 29.04

Abierta -66661.2 0 116.65 1.750 6.8 17.16






d. Gráficas.

-1500rpm.

y = -2.9963x2 - 0.3456x + 9.0238R² = 0.9974

0.0

1.02.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

0 0.5 1 1.5

H ( m )

Q(m3/h))

Bomba

Bomba

Poly. (Bomba)

y = -66.131x2 + 121.39x - 1.832R² = 0.9889

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0.5 1 1.5

P o t e n c i a ( W

)

Q (m3/h)

Potencia (W)

Potencia (W)

Poly. (Potencia (W))






-2400rpm.

y = -25.553x2 + 44.768x - 0.1912R² = 0.9924

-5

0

5

10

15

20

25

0 0.5 1 1.5

H ( m )

Q (m3/h)

RENDIMIENTO (%)

RENDIMIENTO (%)

Poly. (RENDIMIENTO (%))

y = -62.505x5 + 261.69x4 - 371.99x3 + 194.66x2 - 39.784x +42.735R² = 1

0.0

5.0

10.0

15.020.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

0 0.5 1 1.5 2

H ( m )

Q (m3/h)

BOMBA

BOMBAPoly. (BOMBA)






y = -1118.8x5 + 4733x4 - 6892.6x3 + 3689.7x2 - 181.14x -

1E-07R² = 1

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 0.5 1 1.5 2

H ( m )

Q(m3/h)

POTENCIA (W)

POTENCIA (W)

Poly. (POTENCIA (W))

y = -25.047x4 + 80.984x3 - 124.37x2 + 110.75x - 0.0929R² = 0.9884

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 0.5 1 1.5 2

r E N D I M I E N T O ( % )

Q (m3/h)

RENDIMIENTO (%)

RENDIMIENTO (%)

Poly. (RENDIMIENTO (%))






5. Leyes de semejanza.

Se obtendrá de forma experimental las curvas características de las bombas centrífugas.

Posteriormente, las curvas obtenidas se utilizarán para comprobar la exactitud de las

predicciones realizadas mediante las leyes de semejanza para bombas centrífugas.

Las leyes de semejanza son un conjunto de ecuaciones que relacionan el caudal, altura o la

potencia a una velocidad (frecuencia) determinada de la bomba, con otro caudal altura o

potencia a otra frecuencia, es decir, a otra velocidad de giro. Las leyes de semejanza tienen tres

objetivos fundamentales:

a. Determinar la curva de respuesta de una bomba al variar su velocidad de rotación.

b. Obtener las características de una bomba semejante a otra pero de diferente tamaño.

c. Parametrizar el comportamiento de las bombas ensayadas a través de ábacos

adimensinales y diagramas.

Así, se conocerá las variaciones que experimentan las curvas características de las bombas,

cuando trabajamos con una bomba con el mismo fluido a dos velocidades de giro diferentes. Se

representara gráficamente estas curvas y se comprobara los resultados obtenidos con los dados

por las leyes de semejanza. Las expresiones se deducirán a partir de la ecuación de Bernouilli

modificada y expresando la velocidad de giro del motor como, v =2πRn.

A partir de la ecuación de Bernouilli modificada se obtiene:

=

;

=

;

=






a. Gráfica teórica H-Q de B2 a 2400 obtenida a partir de la gráfica experimental de

1500. Comparando con la experimental:

b. Discusión de resultados.

6. NPSHd.

a. Teoría

El NPSHd es la altura neta positiva de succión, como su nombre indica es la capacidad

en altura que posee la bomba para poder salvar un desnivel en la aspiración, siempre y

cuando la tubería de la aspiración este llena de agua.

Es importantísimo conocer el NPSHd de la bomba instalada en un circuito ya que si no

se conociera podría suceder que la bomba fuese incapaz de subir el fluido hasta la cota a

la que esta esté instalada, debido al efecto de cavitación.

23.022.0

20.7

16.4

12.8

y = -4.2679x2 + 1.5738x + 22.55R² = 0.9812

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

0 0.5 1 1.5 2

bomba 2

bomba 2

instalación

Poly. (bomba 2)

Poly. (instalación)






Si el NPSH requerido es mayor que el disponible por nuestra bomba se produce el

efecto de cavitación.

La cavitación se da cuando la presión de aspiración es menor que la presión de vapor

de nuestro fluido a las condiciones de trabajo, se producen millones de pequeñísimas

burbujas que implosionan y hacen que el fluido hierva. El riesgo de cavitación se ve

aumentado en lugares donde se da una importante pérdida de carga, es decir; en la

propia bomba y en válvulas por ello nunca se colocan válvulas de regulación en la

aspiración de la bomba.

La máquina sufre dos efectos desfavorables:

- Pierden mucho rendimiento.

- Las burbujitas que se colapsan dañan a la máquina; se produce

fundamentalmente en las hélices de los barcos.

Para que esto no ocurra en la máquina de impulsión, se tiene que conseguir que el

NSHP sea positivo.

b. Cálculo NPSHd para B2 a 2400 rpm

NPSH=

Pº= 30mmHg

Pasp= 760 – P

- Válvula 4/4 abierta y completamente: NPSHd= 3,2m

7. Bombas en serie.

a. Teoría.

El montaje de bombas en serie se utiliza cuando se tiene una instalación en la que una

bomba es insuficiente para elevar el fluido a la altura necesaria. Al colocar dos bombas

en serie, a voz de pronto, es como si mantuviera un caudal constante y se sumaran las

alturas desarrolladas por las bombas. De esta forma, cuando las bombas son iguales

(misma curva característica), la curva característica del sistema final se obtiene

sumando las alturas desarrolladas por cada bomba.






Se pueden dar dos situaciones:

1. Las bombas son iguales: en este caso ambas maquinas de impulsión

desarrollan el mismo caudal y la misma altura, así pues al colocarlas en

serie el caudal sigue siendo el mismo pero la altura desarrollada es la

suma de ambas.

2. Las bombas son distintas: cuando una bomba es más grande que otra se

colocará siempre en primera posición la más grande y en segundo lugar

la otra. Se aconseja esto porque la bomba más pequeña mueve menos

caudal y ofrece más resistencia al paso del fluido, si estuviera colocada la

primera ofrecería tanta resistencia al paso del fluido que podría hacer que

la bomba grande cavite. En este caso el caudal de ambas bombas será el

mismo porque si la más pequeña da menos la más grande forzará la

velocidad del rodete de la pequeña y esta solo ofrecerá resistencia al paso

del fluido. En cuanto a las alturas se sumaran hasta cierto punto donde la

curva resultante adopta valores intermedios.

b. Operación.

En la instalación del laboratorio para poner las bombas en serie se tendrá que

abrir V3 y V5 manteniendo el resto de válvulas cerradas. Pero antes setendrá que cebar B2 nuevamente.

Tendremos que tomar los datos de presión en la aspiración y en la impulsión

de ambas bombas al ir variando el caudal de salida como en las experiencias

anteriores. Se realizarán y se tomarán los cálculos a 1500 y a 2400 rpm.

c. Datos.

Bomba1(1500 rpm) Bomba2(1500 rpm)

t(s) V(L) (cmHg)

(m.c.a)

Potencia(W)

(Kg/ (m.c.a)

Potencia(W)






)

Cerrada 0 0 0 23.5 440 24 33 220

¼

vuelta

15 5 0 22 500 22 30 240

½

vuelta

15 15 0 19 640 17 23 280

¾

vuelta

24 35 0 15.5 720 10 13 300

1 vuelta 21 35 -4 13.5 740 7 7 300

Abierta 20 35 -5 12 760 4 0 300

Bomba1(2400 rpm) Bomba2(2400 rpm)

t(s) V(L) (cmH

g)

(m.c

.a)

Potencia(

W)

(Kg/

)

(m.c

.a)

Potencia(

W)

Cerrada 0 0 0 23.5 440 24 46 420¼

vuelta

11 5 0 21.5 520 21 43 500

½

vuelta

12 15 0 17.5 660 14 31 660

¾

vuelta

19 35 -5 12.5 740 5 17 740

1 vuelta 17 35 -7 9 760 -10cmHg

9 760

Abierta 17 35 -8 7 720 -30

cmHg

0 720

d. Cálculos / resultados.

Bomba 1 (1500 rpm) Bomba 2 (1500 rpm)






(Pa) (Pa) (Pa) (Pa) Q

(

H(m) η (%)

Cerrada 0 230300 31997,376 323400 0 23,5 0¼ vuelta

0 215600 29330,928 294000 0,333 22,0 14,37

½ vuelta0 186200 22664,808 225400 1,000 19,0 29,09

¾ vuelta0 151900 13332,24 127400 1,458 15,5 30,77

1 vuelta5332,896 132300 9332,568 68600 1,667 13,0 28,60

Abierta6666,12 117600 5332,896 0 1,750 11,3 25,54

Bomba 1 (2400 rpm) Bomba 2 (2400 rpm)

(Pa) (Pa) (Pa) (Pa) Q

(

H(m) η (%)

Cerrada 0 225400 31997,376 450800 0 23,0 0

¼ vuelta0 210700 27997,704 421400 0,455 21,5 19,15

½ vuelta0 171500 18665,136 303800 1,250 17,5 33,50

¾ vuelta6666,12 122500 6666,12 166600 1,842 11,8 29,64

1 vuelta9332,568 88200 -13332,24 88200 2,059 8,0 21,94

Abierta10665,792 68600 -39996,72 0 2,059 5,9 15,69

e. Gráficas H-Q, W-Q, RENDIMIENTO-Q.

-B2 1500 rpm






0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.41.6

1.8

2

0 5 10 15 20 25

C A U D A L

ALTURA

H-Q

H-Q

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25

H-η (%)

H-η (%)






-B2 2400 rpm.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 5 10 15 20 25

C A U D A L

ALTURA

H-Q

H-Q

0

5

10

15

20

25

30

3540

0 5 10 15 20 25

R E N D I M I E N T O

ALTURA

H-η (%)

H-η (%)






f. Gráfica H-Q de comparación entre los datos experimentales y la teoría.

-1500rpm

-2400rpm.

g. Discusión de resultados.

Parece que la línea teórica se asemeja mucho a la experimental y por ello

podemos confiar en que los cálculos teóricos nos dan una idea muy

aproximada de lo que sucede en la realidad al tratar con bombas en serie.

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