bomba

Universidad Militar Nueva Granada Laboratorio de Hidráulica I

BOMBA

PUMP

Gómez, Gonzalo; Galarza, Rodrigo; Rodríguez, Oscar

[email protected]; [email protected]; [email protected];

Universidad Militar Nueva Granda

Estudiantes Ing. civil

Bogotá D.C.

RESUMEN

El objetivo de esta práctica es estudiar el comportamiento de una bomba y las características

de ella en relación al transporte de un fluido a través de esta, determinando las relaciones que

permiten cuantificar parámetros propios de la bomba como la eficiencia, la potencia, la cabeza

total de la bomba, la velocidad específica y la cabeza neta de succión, con el fin de dibujar e

interpretar las curvas representativas de la bomba. El sistema para efectuar la práctica consiste

en una bomba centrifuga de flujo radial que transportaba agua dese un tanque hasta el

vertedero, se tomaron las presiones a la succión y descarga de la bomba con ayuda de

manómetros ubicados a la entrada y salida de esta, este procedimiento se realizó para dos

frecuencias distintas de la bomba como también se midió su geometría, todo esto con el fin

determinar los caudales de entrada y salida, y a partir de estos establecer los parámetros

mencionados anteriormente que son función del caudal en circulación. Las curvas calculadas

nos permiten predecir el comportamiento de la bomba en la instalación e incluso establecer el

tipo de flujo que maneja la bomba, que en este caso confirma que es radial. Lo primero que se

comprobó al calcular y analizar la carga total en el sistema de bombeo fue que el caudal a la

salida es menor que el de la entrada de bombeo, esto afectado en función de la altura.

Respecto a la eficiencia se estableció que este parámetro es más alto para valores pequeños de

caudal y descargas altas, al igual que se pierde eficiencia por las pérdidas que ocurren por la

conversión de energía cinética en energía de presión, por ultimo respecto a la frecuencia se

identificó que el caudal disminuye a medida que se disminuyen las rpm, esto por la relación

de continuidad.

PALABRAS CLAVE

Bomba, caudal, eficiencia, potencia, fuerza centrífuga.

ABSTRACT

The purpose of this lab is to study the behavior of a pump and the characteristics of it in

relation to the transport of fluid through this, determining relationships to quantify specific

parameters such as pump efficiency, power, total head the pump specific speed and net

suction head in order to draw and interpret pump representative curves. The system for

making practically consists of a radial flow centrifugal pump carrying water tank to give

yourself a landfill, were taken to the suction and pressure pump discharge using gauges

located at the entrance and exit of this, this procedure was performed for two different pump

frequencies are also measured as its geometry, all this in order to determine the input and

output flows, and from these setting the aforementioned parameters which are a function of

mailto:[email protected]




flow rate in circulation. The calculated curves allow us to predict the behavior of the pump

installation and even set the flow type pump handles, which in this case confirms that it is

radial. The first thing was checked to calculate and analyze the total load on the pumping

system was that the flow at the outlet is less than the pump inlet, this affected depending on

the height. Regarding efficiency was established that this parameter is higher for small values

of flow and high discharges , as efficiency is lost for the losses that occur in the conversion of

kinetic energy into pressure energy , finally regarding the frequency identified that the flow

decreases as the rpm is reduced , this continuity relationship .

KEYWORDS

Pump, flow, efficiency, power, centrifugal force.

INTRODUCCIÓN

El presente informe pretende dar a conocer las características de un bomba centrifuga y cómo

actúa suministrando energía a un fluido incompresible, esto mediante un ensayo de

laboratorio. El ensayo consiste en suministrar energía a través de la bomba en una red de

tubería y tomar lecturas de carga y descarga para cinco caudales tomados. Adicional a esto se

toman los datos para dos diferentes potencias de la bomba: 2300 rpm y 3450 rpm.

Una bomba es una máquina hidráulica generadora que transforma la energía con la que es

accionada en energía hidráulica del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible

puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos. El propósito de este ensayo es conocer

las características de una bomba centrifuga utilizada para efectuar el transporte o

proporcionar potencia hidráulica, a través de todo el sistema de tuberías hasta la llegada del

flujo al vertedero. A medida que se aumenta la energía de la bomba hacia el fluido, aumenta

su presión, su velocidad o su altura. La bomba principalmente se requiere para aumentar la

presión del fluido de una menor hasta una altitud o mayor presión. Cabe resaltar que al

implementar una bomba en una red de tuberías no se alteran las características del fluido.

El uso de sistemas de bombeo es especialmente importante en el transporte de fluidos, por lo

que es necesario establecer los parámetros que nos permiten identificar las características

apropiadas de las bombas para que se adapten a una instalación generando la mayor

productividad posible en el sistema.

1. BOMBAS

Una bomba hidráulica es una máquina generadora que transforma la energía (generalmente

energía mecánica) con la que es accionada en energía del fluido incompresible que mueve. El

fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el

hormigón antes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energía del fluido, se

aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de

Bernoulli. En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido

añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o

altitud a otra de mayor presión o altitud.(1)


1.1.BOMBAS ROTODINAMICAS

Las bombas rotodinámicas se clasifican de acuerdo a la forma de sus rotores (impulsores) en:

Bombas centrífugas (flujo radial) Presenta una presión relativamente alta con

un caudal bajo

Bombas de flujo axial: generan un caudal alto con una baja presión Bombas de

flujo mixto: tienen características que semejan algo intermedio a los dos casos

Los tipos de bombas pueden ser definidos en forma más explícita utilizando un parámetro

dimensional llamado "Velocidad Específica" (Ns):

Ecuación 1

Dónde:

Q = Caudal en galones americanos por minuto (gpm).

H = Altura total de la bomba en pies.

N = Velocidad rotacional en revoluciones por minuto (rpm)

La expresión para velocidad específica se encuentra teniendo en cuenta consideraciones de

similaridad dinámica, en conjunto con técnicas de análisis dimensional.

En la siguiente tabla ( Tabla 1) se muestra una clasificación general de las bombas

rotodinámicas, tomando como criterio la velocidad específica.

TIPO DE BOMBA RANGO DE Ns

CENTRIFUGA 500 a 2000

FLUJO MIXTO 2000 a 7000

FLUJO AXIAL 7000 a 15000

Tabla 1

Los rangos anteriores se deben interpretar como una guía rápida para establecer qué tipo de

flujo es el más probable en una determinada bomba. Para un diseño de bomba dado, la

velocidad específica puede cambiarse si se aumenta o disminuye la velocidad de rotación de

la bomba. Los valores típicos de ésta están dados por las velocidades de los motores, las

cuales son: 450, 900, 1800 y 3600 rpm.

Para seleccionar la velocidad del motor que mejor se adapte a una bomba dada, se deben

balancear dos factores opuestos: Una alta velocidad de rotación implica problemas de

desgaste en los cojinetes de ejes y problemas de cavitación y transientes hidráulicos. Una

velocidad alta produce una velocidad específica alta (ver ecuación 4.1) y para valores de Ns

menores a 2000 (Bombas rotodinámicas centrífugas rápidas) se logra un aumento en la

eficiencia.(2)


2. LÍNEA DE GRADIENTE HIDRÁULICO EN SISTEMAS BOMBA-TUBERÍA

La presencia de bombas en sistemas de tuberías afectan las líneas de energía total y de

gradiente hidráulico del flujo.

Las bombas son máquinas hidráulicas cuyo objetivo es convertir energía mecánica de rotación

en energía cinética o potencial del fluido dentro del sistema. El efecto es añadir energía por

unidad de peso (altura de velocidad o altura de presión) al flujo.

El aumento se refleja en la altura manométrica en cada punto, con lo cual se afecta la forma y

pendiente de las líneas de energía total y de gradiente hidráulico.

Ilustración 1

Una bomba colocada en un sistema de tubería simple. La bomba añade energía al flujo y por

consiguiente eleva las líneas de energía total y de gradiente hidráulico como lo muestra la

Ilustración 1.

3. CURVAS DE UN SISTEMA BOMBA-TUBERÍA

Usualmente estas curvas se obtienen en laboratorio. Las curvas de altura total contra caudal y

contra eficiencia son suministradas por los fabricantes de las bombas. La primera de éstas (Q

vs. Hm) se conoce como la curva de la bomba.


Ilustración 2: Esquema de las curvas de la bomba y de eficiencia de la bomba.

4. LIMITACIONES EN LA ALTURA DE SUCCIÓN

En el caso de bombas el fenómeno de cavitación puede ocurrir tanto en la tubería de succión

como en los alabes del impulsor. Esto es particularmente grave en el caso de bombas

localizadas por encima del nivel de succión. La cavitación, en el caso de bombas, además de

producir daños físicos y ruidos molestos puede llegar a reducir notablemente el caudal

descargado.

Con el fin evitar todos estos efectos es necesario "impedir" que la presión a la entrada de la

bomba sea menor que un cierto límite el cual a su vez es influido por una posterior reducción

adicional de presión en el impulsor.(3)

Si Ps es la presión a la entrada de la bomba, entonces Pabs :

Ecuación 2

Representa la altura absoluta a la entrada "por encima de la presión de vapor pv". Este

término se conoce como altura Neta Positiva de Succión o NPSH (del inglés Net Positive

Suction Head):

Ecuación 3


Dónde:

pa = presión atmosférica

pv = presión de vapor

Hs = altura " manométrica " de succión

Esta última altura está definida de acuerdo con la siguiente ecuación:

Ecuación 4

La NPSH que requiere una bomba específica es un dato usualmente suministrado por el

fabricante. En caso de que este no exista tiene que ser encontrado en condiciones de

laboratorio.

En los últimos años las bombas sumergibles se han vuelto muy populares especialmente en

los rangos de caudales bajos y medios. Esta solución elimina el cálculo de la NPSH ya que los

problemas de cavitación se eliminan o reducen notablemente. Similarmente se eliminan

problemas de enfriamiento de los cojinetes, rodamientos y motor de la bomba.(4)

Ilustración 3: Esquema de la tubería de succión en un sistema bomba-tubería con el fin

de ilustrar la NPSH

MATERIALES Y METODOLOGÍA

La instalación para el ensayo consta de un tanque que provee el agua a través de la tubería, la

tubería de succión del agua de 2” con reducción a 1 ½”, un manómetro con su escala en

Kgf/cm^2, para las lecturas de la salida y otras para la entrada, la válvula de succión y por

supuesto la bomba centrifuga de un impulsor cerrado con un motor eléctrico de 2.4 H.P de

potencia, voltaje de 220 V, frecuencia máxima de 60 ciclos, velocidad de 3450 R.P.M., la

tubería de descargue es de 1 ½” y expansión al vertedero de 2”, el caudal es controlado por

una válvula, adicional a esto la bomba requiere de un cheque de 2” con el fin de que el agua


no se regrese a la bomba, la descarga del agua es en un vertedero triangular con ángulo de

escotadura de 90° y la ecuación del caudal para este es Q = 0,0111 H ^ 268 (lps), la bomba

tiene un tablero digital de control para encenderlo y graduar su velocidad entre otras

funciones.

Los datos tomados en la práctica fueron las presiones a la entrada y a la salida de la bomba, la

altura del tanque y del vertedero, para dos velocidades distintas para hallar el caudal como

primera medida.

ANALISIS DE RESULTADOS

Los datos tomados en la práctica fueron las presiones a la entrada y a la salida de la bomba, la

altura del tanque y del vertedero, para dos velocidades distintas para hallar el caudal como

primera medida con la Ecuación 5:

Ecuación 5

Caudal Caudal Caudal Caudal Caudal Caudal Caudal Caudal Caudal

(m^3/s) (m^3/s) (m^3/s) (m^3/s) (m^3/s) (m^3/s) (m^3/s) (m^3/s)

1 0,285138 0,295630 0,371782 0,313648 0,215283 0,306360 0,288609 0,297402

2 0,299180 0,315487 0,369744 0,328547 0,240820 0,311816 0,309991 0,304555

3 0,304555 0,326661 0,363671 0,336159 0,271516 0,315487 0,321043 0,317332

4 0,308172 0,336159 0,355672 0,349746 0,304555 0,319184 0,322909 0,322909

5 0,317332 0,308172 0,351714 0,357661 0,321043 0,324781 0,324781 0,328547

6 0,324781 0,351714 0,345829 0,359657 0,351714 0,330440 0,332339 0,332339

7 0,332339 0,357661 0,336159 0,361661 0,353689 0,336159 0,338080 0,336159

8 0,340007 0,361661 0,326661 0,365688 0,359657 0,341941 0,341941 0,340007

9 0,345829 0,363671 0,306360 0,367712 0,365688 0,347784 0,349746 0,345829

10 0,347784 0,367712 0,293865 0,369744 0,371782 0,353689 0,353689 0,349746

11 0,345829 0,338080 0,388342 0,347784 0,293865 0,313648 0,285138 0,269843

12 0,351714 0,373827 0,382079 0,361661 0,304555 0,317332 0,311816 0,300965

13 0,355672 0,392552 0,351714 0,390443 0,322909 0,373827 0,332339 0,315487

Tabla 2

Se calculó la cabeza total de la bomba a partir de la Ecuación 6.

Ecuación 6

Donde

Luegose calculó para cada caudal y a partir de la Ecuación 7.

Ecuación 7


Dónde:

Para la cabeza neta positiva de succión (NPSHD) se calculó para cada caudal y a partir de la

Ecuación 8

Ecuación 9

A partir de los datos obtenidos y los cálculos se logró corroborar como primera instancia que

la bomba que se utilizo era de flujo radia, esto a partir del cálculo de la velocidad especifica.

Respecto a las curvas se identificó que el caudal de salida es menor que el de la entrada (curva

de carga total), y q este parámetro varía con la altura entre la succión y la descarga; en lo que

se deduce respecto a la eficiencia es que este valor es más alto para valores pequeños de

caudal y descargas altas, al igual que se pierde eficiencia por las pérdidas que ocurren por la

conversión de energía cinética en energía de presión.

Grafica 1

y = -322.6x2 + 197.3x - 28.10

y = -488.7x2 + 300.0x - 40.94

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0.000000 0.100000 0.200000 0.300000 0.400000 0.500000

n2

(W

)

Q (m3/s)

Series1

Series2

Poly. (Series1)

Poly. (Series2)

n2 vs Q2


Grafica 2

Grafica 3

También se identificó que por la relación de continuidad el caudal disminuye a medida que se

disminuyen las r.p.m.

y = 57.12x2 - 54.15x + 17.07

0

1

2

3

4

5

6

7

0.000000 0.100000 0.200000 0.300000 0.400000

Ht

(m)

Q (m3/s)

2300 rpm

3450 rpm

Poly. (2300 rpm)

Poly. (3450 rpm)

y = 7.448x2 + 0.142x - 0.338

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.0000000.0500000.1000000.1500000.2000000.2500000.3000000.3500000.400000

P1

(W

)

Q (m3/s)

Series1

Series2

Poly. (Series1)

Poly. (Series2)

Ht1 vs Q1

P1 vs Q2


Del valor de NPSHD se observa que es menor al de la cabeza de velocidad, lo que es ideal

para evitar fenómenos de cavitación en la Bomba.

NPSH 1 NPSH 2 NPSH 3 NPSH 4 NPSH 5 NPSH 6 NPSH 7 NPSH 8

1 2,19883243 2,67825242 4,04253455 3,48844215 1,31021214 3,16239182 2,35819934 2,75857773

2 2,83904051 3,57042278 4,13273356 4,1502135 0,0619276 3,40665488 3,32505484 3,08131647

3 3,08131647 4,06670883 4,40115722 4,48671126 1,56455448 3,57042278 3,81758597 3,65260289

4 3,24363588 4,48671126 4,75420297 5,01555345 3,08131647 3,7349886 3,9004011 3,9004011

5 3,65260289 3,24363588 4,92875188 4,66644384 3,81758597 3,98344004 3,98344004 4,1502135

6 3,98344004 4,92875188 4,9133597 4,57835375 4,92875188 4,23396009 4,31795458 4,31795458

7 4,31795458 4,66644384 4,48671126 4,48992684 4,84163702 4,48671126 4,57148541 4,48671126

8 4,65653138 4,48992684 4,06670883 4,31203904 4,57835375 4,74185513 4,74185513 4,65653138

9 4,9133597 4,40115722 3,16239182 4,22256644 4,31203904 4,99955238 5,01555345 4,9133597

10 4,99955238 4,22256644 2,59805828 4,13273356 4,04253455 4,84163702 4,84163702 5,01555345

11 4,9133597 4,57148541 3,30706074 4,99955238 2,59805828 3,48844215 2,19883243 1,48552008

12 4,92875188 3,95196356 3,58584302 4,48992684 3,08131647 3,65260289 3,40665488 2,91964705

13 4,75420297 3,11912227 4,92875188 3,21330376 3,9004011 3,95196356 4,31795458 3,57042278

Tabla 3

ANALISIS ESTADISTICO

Podemos darnos cuenta que los datos tienen una gran varianza en los últimos caudales

tomados a 2300 rpm. Suponemos que es debido a que se presenta mayor cavitación en esos

piezómetros lo que causa que los valores sean muy variados.

PROMEDIO MEDIANA DESVIACION ESTANDAR VARIANZA Q MAX Q MIN

30,81875 29,9 15,012449 211,2877734 48,8 3

30,64375 29,75 15,79582091 233,9137109 48,7 4

30,3875 30,2 16,48748515 254,8473438 48,4 5

30,025 30,65 17,20319738 277,453125 48 7

29,5625 30,25 17,73425593 294,8473438 48,1 8

29,40625 30,2 18,51505581 321,3818359 48,2 7

29,0875 29,9 19,0117113 338,8548438 48,3 6

28,725 30,75 19,59573083 359,993125 48,5 5

28,275 31,2 20,2321691 383,756875 48,6 3,2

27,825 32,85 20,99461836 413,225625 48,8 1,6


39,8625 43,15 10,07484491 95,15859375 49,6 10

37,4 42,55 11,7014529 128,36625 49,3 15

35,7625 41,95 14,26561717 190,7885938 49,8 10

Tabla 4

RECOMENDACIONES

Recomendamos que en la teoría se explicara más el tema y se vieran los temas al mismo

tiempo para ir par a par laboratorio con clase teórica.

En tanto las guías de laboratorio, se recomienda que sean más explicitas en tanto a la teoría ya

que exponen variables que no explican previamente como sacaron. Por último se recomienda

que el esquema del laboratorio en AutoCAD contenga la localización de los piezómetros para

un análisis oportuno en las casas.

CONCLUSIONES

La energía específica (es decir, la energía por unidad de volumen, masa o peso de fluido) que

una bomba dada es capaz de transmitir al fluido depende del caudal circulante, el cual puede

variar entre 0 y un cierto caudal máximo. También la energía consumida por la bomba (la que

absorbe del motor de accionamiento) y el rendimiento (relación entre la energía entregada al

fluido y la energía consumida) son función del caudal en circulación.

Se concluye que las pérdidas que genera el sistema son tan pequeñas en comparación con el

comportamiento del fluido en el sistema, que se consideran nulas o cero, es decir, no se

cuentan puesto que no afectan significativamente el resultado esperado por el sistema.

Pudimos darnos cuenta que el NPSH requerido es un parámetro de la bomba y lo debe dar el

fabricante. Pero es deber del ingeniero calcular cual valor necesita para esa variable y escoger

una bomba que no rinda al límite, sino por el contrario tenga una altura neta de succión más

alta de lo que necesitamos para asi prevenir cualquier imprevisto.

Bibliografía

1. wikipedia.org. http://es.wikipedia.org/. http://es.wikipedia.org/. [En línea] [Citado el: 02

de Noviembre de 2013.] http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_hidr%C3%A1ulica.

2. Mott, Robert L. Mecanica de Fluidos aplicada. Mecanica de Fluidos aplicada. 1985.

3. GruposBombeo. uclm. Mexico : s.n., 2002, Vol. 3.

4. Cimbala, Cengel y. Mecánica de Fluidos Fundamentos y Aplicaciones. Mecánica de

Fluidos Fundamentos y Aplicaciones. s.l. : Capitulo 14. .

5. Azevedo N., J. M. y Acosta.Ingeniería hidráulica en México. Mexico D.F. : s.n., 1976.

Volumen 13.

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