Práctica #6

BOMBAS (2 PARTE)

INTRODUCCIÓN

NPSH es un acrónimo de Net Positive Suction Head, también conocido como ANPA (Altura Neta Positiva en la Aspiración) y CNPA (Carga Neta Positiva en Aspiración). Es la diferencia, en cualquier punto de un circuito hidráulico, entre la presión en ese punto y la presión de vapor del líquido en ese punto. El NPSH es un parámetro que indica la capacidad de las bombas de aspirar en vacío, es decir que la altura máxima teórica de aspiración será de 10,33 m (presión atmosférica a nivel del mar).

La NPSH es un parámetro importante en el diseño de un circuito: si la presión en el circuito es menor que la presión de vapor del líquido, éste entrará en algo parecido a la ebullición: se vaporiza, produciéndose el fenómeno de cavitación, que puede dificultar o impedir la circulación de líquido, y causar daños en los elementos del circuito.

TIPOS DE NPSH.- En las instalaciones de bombeo se debe tener en cuenta la NPSH referida a la aspiración de la bomba, distinguiéndose dos tipos de NPSH:

NPSH requerida: Presión absoluta mínima en el oído del impulsor que garantiza un flujo sano en el interior de la bomba; es la NPSH mínima que se necesita para evitar la cavitación. Depende de las características de la bomba, por lo que es un dato que debe proporcionar el fabricante en sus curvas de operación.

Donde: Hz es la presión mínima necesaria a la entrada del rodete, en m.c.a..

es la presión cinética correspondiente a la velocidad de entrada del líquido en la boca de aspiración, en m.c.a. (para Va en m/s).

NPSH disponible: Presión absoluta total en el oído del impulsor como resultado final de la aspiración especifica de las condiciones de la instalación. Es función de la instalación e independiente del tipo de bomba; depende de las características de la instalación y del líquido a bombear.

Donde:

γ es la gravedad específica del líquido (adimensional).

Pa es la presión en el nivel de aspiración, en m.c.a.

Ha es la altura geométrica de aspiración en metros.

Pca es la pérdida de carga en la línea de aspiración, en metros.

Pv es la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo, en m.c.a.

Valores negativos de dicha Ha indican que la bomba trabaja sumergida.

La NPSH disponible debe ser mayor que la NPSH requerida para evitar la cavitación. Las causas más frecuentes de que esta condición no se cumpla son dos:

1. Aumento de la pérdida de carga en la línea de aspiración, bien por obstrucción de la tubería o filtro de aspiración, bien por funcionamiento de la bomba con la válvula de aspiración semicerrada.

2. Aumento de la presión de vapor del líquido al aumentar su temperatura, por ejemplo si el líquido a bombear se refrigera previamente, y esta refrigeración falla.

Para evitar la cavitación en toda instalación de bombeo se procurará que el valor de la presión absoluta obtenida no sea inferior a la necesaria para producir la aceleración del líquido y sea superior a la tensión del vapor del líquido impulsado a la temperatura existente.

A pesar de cumplirse la condición anterior en la que NPSHd >> NPSHr puede presentarse algún fenómeno de cavitación, al reducir el caudal bombeado a limites en los que se produce una recirculación en el oído del impulsor que puede provocar localmente una disminución de presión, inferior a la tensión del vapor del liquida.

Una bomba en condiciones hipotéticamente ideal a nivel del mar podría aspirar a una altura de 10,33 m, pero con la altura la presión atmosférica disminuye, así a 900 m sobre el nivel del mar se reduce a 9,23 m.

En condiciones reales en el caso de bombeo de agua como ocurre en el riego γ ~ 1, mientras la tensión de vapor a 20º c tiene un valor de 0,12 m, la altura disminuye entonces a 9,11 los otros factores que reducen la altura de la succión son las perdidas por fricción y locales que dependen como ya se ha dicho de las condiciones de la instalación en este ejemplo se supone 0,53 m las primeras y 0,40 por accesorios, reduciéndose la altura a 8,18 m, finalmente el NPSHdr valor que depende del modelo de la bomba y de las rpm, mientras mayor es la velocidad de trabajo para una misma bomba mayor será NPSHr y menor la capacidad de succión, en el ejemplo se considera NPSHr = 3,25 m por lo que finalmente el eje de la bomba se tendrá que instalar a una altura igual o menor a 4,93 m.

Las soluciones como ya hemos indicado solamente pueden conseguirse aumentando el NPSHd y por tanto, podemos adoptar cualquiera de las siguientes:• Aumento del diámetro de la tubería de aspiración.• En bombas verticales aumentar la sumergencia.• Disminuir la altura geométrica de aspiración.• Cambio a una bomba mayor a menor velocidad, etc.

Tuberías de succión.- Para obtener en una instalación la máxima altura de aspiración geométrica, será necesario reducir al mínimo los parámetros que puedan provocar una disminución del valor de NPSHd.Para conseguirlo deberemos cumplir los siguientes requisitos:

Mantener la temperatura del agua lo más baja posible. Tubería lo más corta posible.

Con la menor cantidad de uniones y codos posibles.Codos con radio de curvatura = 2 diámetros.Tubería ascendente hacia la bomba con pendiente entre 0,5 y 2 %.Utilizar contracciones asimétricas, con la parte superior recta hacia arriba.El diámetro de la tubería no debe ser menor que el diámetro de entrada de la bomba.Utilizar válvulas de pie en diámetros menores a 400 mm.Tuberías de aspiración herméticas a la presión atmosférica.El tramo próximo a la bomba será recto con una longitud mayor a 2 diámetros. El diámetro de la tubería de aspiración se determinara de acuerdo con la velocidad permisible: Para diámetro hasta 250 mm velocidad = 0,7 a 1 m/s Para diámetro desde 300 a 800 mm velocidad = 1 a 1,5 m/s Para diámetro mayor de 800 mm velocidad = 1,5 a 2 m/s

Bombas en paralelo.

El número de tubos de succión debe ser igual al número de bombas.Distancia entre ejes de succiones horizontales > 3 D entrada.Distancia entre ejes de succiones verticales > 10 D entrada.

CAVITACIÓN.-

Modelo de propulsor cavitando en túnel de agua →

La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli (Principio de Bernoulli). Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno.

El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina.

Se puede presentar también cavitación en otros procesos como, por ejemplo, en hélices de barcos y aviones, bombas y tejidos vascularizados de algunas plantas.

Se suele llamar corrosión por cavitación al fenómeno por el que la cavitación arranca la capa de óxido (pasivación) que cubre el metal y lo protege, de tal forma que entre esta zona (ánodo) y la que permanece pasiva (cubierta por óxido) se forma un par galvánico en el que el ánodo (el que se corroe) que es la zona que ha perdido su capa de óxido y la que lo mantiene (cátodo).

PROCESO FÍSICO DE LA CAVITACIÓN: Es casi exactamente igual que el que ocurre durante la ebullición. La mayor diferencia entre ambos consiste en cómo se efectúa el cambio de fase. La ebullición eleva la presión de vapor del líquido por encima de la presión ambiente local para producir el cambio a fase gaseosa, mientras que la cavitación es causada por una caída de la presión local por debajo de la presión de vapor.

Para que la cavitación se produzca, las "burbujas" necesitan una superficie donde nuclearse. Esta superficie puede ser la pared de un contenedor o depósito, impurezas del líquido o cualquier otra irregularidad.

El factor determinante en la cavitación es la temperatura del líquido. Al variar la temperatura del líquido varía también la presión de vapor de forma importante, haciendo más fácil o difícil que para una presión local ambiente dada la presión de vapor caiga a un valor que provoque cavitación.

PROBLEMAS.- La cavitación es, en la mayoría de los casos, un suceso indeseable. En dispositivos como hélices y bombas, la cavitación puede causar mucho ruido, daño en los componentes y una pérdida de rendimiento.

Este fenómeno es muy estudiado en ingeniería nava l durante el diseño de todo tipo de barcos debido a que acorta la vida útil de algunas partes tales como las hélices y los timones.

En el caso de los submarinos este efecto es todavía más estudiado, evitado e indeseado, puesto que imposibilita a estos navíos de guerra mantener sus características operativas de silencio e indetectabilidad por las vibraciones y ruidos que provoca en el casco y las hélices.

La cavitación puede dañar casi cualquier material. Las picaduras causadas por el colapso de las cavidades producen un enorme desgaste en los diferentes componentes y pueden acortar enormemente la vida de las bombas o hélices.

Además de todo lo anterior, la creación y posterior colapso de las burbujas crea fricción y turbulencias en el líquido. Esto contribuye a una pérdida adicional de rendimiento en los dispositivos sometidos a cavitación.

Daño por cavitación de una turbina Francis →

La cavitación en bombas puede producirse de dos formas diferentes:

A. Cavitación de succión : ocurre cuando la succión de la bomba se encuentra en unas condiciones de baja presión/alto vacío que hace que el líquido se transforme en vapor a la entrada del rodete. Este vapor es transportado hasta la zona de descarga de la bomba donde el vacío desaparece y el vapor del líquido es nuevamente comprimido debido a la presión de descarga. Se produce en ese momento una violenta implosión sobre la superficie del rodete. Un rodete que ha trabajado bajo

condiciones de cavitación de succión presenta grandes cavidades producidas por los trozos de material arrancados por el fenómeno. Esto origina el fallo prematuro de la bomba.

B. Cavitación de descarga : sucede cuando la descarga de la bomba está muy alta. Esto ocurre normalmente en una bomba que está funcionando a menos del 10% de su punto de eficiencia óptima. La elevada presión de descarga provoca que la mayor parte del fluido circule por dentro de la bomba en vez de salir por la zona de descarga. A este fenómeno se le conoce como "slippage". A medida que el líquido fluye alrededor del rodete debe de pasar a una velocidad muy elevada a través de una pequeña apertura entre el rodete y el tajamar de la bomba. Esta velocidad provoca el vacío en el tajamar (fenómeno similar al que ocurre en un venturi) lo que provoca que el líquido se transforme en vapor. Una bomba funcionando bajo estas condiciones muestra un desgaste prematuro del rodete, tajamar y álabes. Además y debido a la alta presión de funcionamiento es de esperar un fallo prematuro de las juntas de estanqueidad y rodamientos de la bomba. Bajo condiciones extremas puede llegar a romperse el eje del rodete.

El

fenómeno de la cavitación en función del caudal elevado.

Cuando el caudal suministrado por la bomba se redice al 25% del caudal optimo (Qop = 100%), se produce una elevación del NPSHr (máxima turbulencia). Este valor va disminuyendo hasta alcanzar un valor mínimo en el punto 1 (40% Qop).Entre los puntos 1 y 2 (40 y 60% Qop) el valor de NPSHr se mantiene en su valor mínimo (turbulencia mínima).A partir del punto 2 (60% Qop), el valor de NPSHr va aumentando progresivamente pasando por los puntos 3 y 4 (Qop ) y alcanzando el punto de máximo valor, cuando el caudal elevado es del 130% de Qop (turbulencia máxima).

OBJETIVOSObjetivo General:

Determinar el caudal en un sistema con una bomba a diferentes alturas de descarga

Objetivos Específicos:

Determinar el caudal teórico mediante la ecuación de Bernoulli Determinar el caudal experimental. Hallar la eficiencia de la Bomba. Utilizar datos obtenidos en la práctica anterior.

ESQUEMA DE LA PRÁCTICA

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Y MATERIAL

Medidor tipo turbina:

¿Cómo trabaja? → Cuando el flujo de líquido o gas atraviesa la turbina, mueve un impeler que es monitoreado por un rayo infrarrojo, sensores foto eléctricos, o magnetos. Un pulso eléctrico se genera y se convierte en una salida de frecuencia proporcional a la tasa de flujo. ¿Se puede utilizar un medidor de flujo tipo turbina con pequeñas partículas? → No. Los medidores de flujo tipo turbina son excelentes utilizados con fluidos limpios, y líquidos de baja viscosidad. ¿Qué sucede si tengo aire en el líquido? → Algunos medidores de flujo tipo turbina pueden utilizarse con aire. Sin embargo, si existen burbujas de aire o vapor insertas en el líquido, la lectura será inexacta. Deberá existir un flujo laminar (estable) en la sección cruzada de la tubería. ¿Cuáles son las ventajas de utilizar un medidor de flujo tipo Turbina?

1.- Buena exactitud con los líquidos2.- Fácil instalación y mantenimiento3.- Señal de salida para totalizar4.- Disponibles para tasas bajas de flujo ¿Cuáles son las limitaciones de utilizar un medidor de flujo tipo turbina? 1.- Sensible a los cambios de viscosidad

2.- Requiere una distancia de tubería recta3.- Solo para líquidos y gases limpios

Bomba (centrífuga): Esta bomba fue concebida, teniendo como objetivos un rendimiento de trabajo que sea óptimo, una gran variedad de aplicaciones y una fácil mantención del equipo. Para que la bomba centrífuga esté en disposición de funcionar satisfactoriamente, tanto la tubería de aspiración como la bomba misma, han de estar llenas de agua. Si la bomba se encuentra a un nivel inferior a la del agua del pozo de aspiración, siempre se cumplirá esta condición, pero en los demás casos hay que expulsar el aire de la tubería de aspiración y de la bomba y reemplazarlo por agua; esta operación, como ya sabemos, se denomina cebado. El mero giro del rodete, aún a alta velocidad, resulta completamente insuficiente para efectuar el cebado y sólo se conseguirá recalentar los cojinetes.Los dos métodos principales de cebado exigen una válvula de retención en la proximidad de la base del tubo de aspiración, o en las unidades mayores, la ayuda de una bomba de vacío. En el primer caso, se hace entrar el agua de la tubería de impulsión o de cualquier otra procedencia, en el cuerpo de bomba y el aire es expulsado por una llave de purga.El cuerpo húmedo de esta bomba, está fabricado en un polímero de grandes cualidades mecánicas y de excelente resistencia química.

Estos materiales evitan las incrustaciones de partículas, y además no son afectados por

problemas de cavitación.

Las aplicaciones de esta bomba son de óptimo rendimiento en plantas de acido, agua de cola, aguas marinas, y en general en lugares con gran concentración de corrosivos. Además tiene una muy buena aplicación en la industria alimenticia dado que no contamina

los productos.

Las bombas están disponibles en materiales del acero termoplástico e inoxidable, diseños del mecanismo impulsor para las aplicaciones horizontales y verticales. En este experimento teníamos que evitar que las burbujas provocadas no estén presentes en el multimanómetro.

Probeta: o cilindro graduable es un instrumento volumétrico, que permite medir volúmenes superiores y más rápidamente que las pipetas, aunque con menor precisión. Está formado por un tubo generalmente transparente de unos centímetros de diámetro, y tiene una graduación (una serie de marcas grabadas) desde 0 ml (hasta el máximo de la probeta) indicando distintos volúmenes. En la parte inferior está cerrado y posee una base que sirve de apoyo, mientras que la superior está abierta (permite introducir el líquido a medir) y suele tener un pico (permite verter el líquido medido). Generalmente miden volúmenes de 25 ó 50 ml, pero

existen probetas de distintos tamaños; incluso algunas que pueden medir un volumen hasta de 2000 ml. Puede estar constituido de vidrio (lo más común) o de plástico. En este último caso puede ser menos preciso; pero posee ciertas ventajas, por ejemplo, es más difícil romperla, y no es atacada por el ácido fluorhídrico.

Cronómetro: En este experimento fue necesario controlar los tiempos y sus volúmenes respectivos para poder calcular los caudales. Cabe mencionar que se utilizo el cronómetro de un celular. Se realizaron 8 mediciones para cada corrida, para minimizar los errores.

Flexómetro: Para medir la longitud de los objetos disponemos de diferentes instrumentos, como el flexómetro, y otros de mayor precisión: el calibre y el micrómetro. Permite medir objetos mayores que la regla. Al utilizarlo debemos vigilar que el tope inicial de la cinta métrica quede bien pegado a un borde de la pieza a medir, y que la cinta quede tensa y lo más próxima posible a su superficie. En nuestro experimento lo utilizamos para medir las distancias de los 4 puntos que en los que analizamos las presiones y alturas.Abrazadera: Pieza que sirve para sujetar algo rodeándolo como un anillo

TABULACIÓN DE DATOS

Cuadro #1.-Prueba 1: Medición de caudales y presiones en la bomba

Fuente: Elaboración propia

Cuadro #2.-Prueba 2:

Fuente: Elaboración propia

Cuadro #3.-Prueba 3:

Corrida Q (cm3/s) PA (cmHg) PB (bar) DA (cm) DB (cm)

1234

460,77389,89347,87267,04

-10,4-10,4-10,4-10,4

11,41,82,4

2,542,542,542,54

2,542,542,542,54

Fuente: Elaboración Propia

TABULACIÓN DE RESULTADOS

Cuadro #.-Prueba 1: Determinación de los caudales teóricos y experimentales

Corrida Qexp (m3/s) QTeo (m3/s) e%

2do Piso3er Piso

0.000314820.00033477

0,000122590,00011166

66.6561.06

Fuente: Elaboración propia

Cuadro #.-Prueba 2: Determinación de la eficiencia de la bomba

Corrida 2dopiso 3erpiso

1 4.15 7.5

Fuente: Elaboración propia

CONCLUSIONES, OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES

Bellido Santa María Dennis Jesús: Pudimos cumplir el objetivo de aplicar la ecuación de Bernoulli y la ecuación característica de la bomba para hallar el caudal de salida a una altura de dos y tres pisos (aproximadamente 5 y 10metros respectivamente). Los porcentajes de error que se obtuvieron al comparar los resultados teóricos (mediante las ecuaciones) y experimentales (midiendo el volumen de agua que pasa en un determinado tiempo) son muy altos debido a muchos factores que no se tomaron en cuenta al momento de realizar la práctica. Primeramente no se tomaron en cuenta las pérdidas como ser los codos, la rugosidad de la manguera además la misma posiblemente tenía algunos agujeros en el trayecto (tenía parches), además no se mantuvo constante la altura del agua en el tanque que estaba en la parte inferior para ninguno de los casos y finalmente no se contó con instrumentos para medir el caudal de una manera precisa.

Murillo Villagómez Vania Milena: En esta práctica realizamos el cálculo del caudal que impulsa la bomba al 2º y 3º piso de la facultad y las eficiencias respectivas, esta práctica entonces se refiere más a la aplicación de lo aprendido y deducido en la práctica anterior; por ejemplo, consideraremos la ecuación deducida en la práctica anterior, usamos los datos hallados de los coeficientes A, B, C y D de la 1º prueba realizada con una sola bomba. Recordemos que la altura de la bomba está en función de la altura de succión y de descarga. Se midieron los caudales a la entrada y salida, estos varían un poco entre si, ya que estos caudales se midieron de diferentes modos, con cronómetro y la probeta, y con el medidor tipo turbina (aguas arriba: de donde sale, aguas abajo: a donde se dirige). Para esta práctica el error porcentual podía llegar al 5 %, sin embargo nuestros errores son mucho mayores, entonces podemos decir que esta práctica fue mal hecha. Esto se puede deber a varias razones, primero debíamos mantener la altura constante (H=ctte), en el depósito del que se succiona el agua, pero debido a diferentes descuidos, como por ejemplo el grifo no fue abierto en su totalidad en parte de la práctica, no se realizaron las medidas correctamente (se midió desde la boquilla de la manguera y en otros casos desde la mitad de la bomba), se cerró la llave de agua tiempo después (por olvido) de terminar con la practica y se midió la altura que debía ser constante después de esto; también hubo un poco de dificultad con el cebado de la bomba. Además, las eficiencias calculadas son pequeñas como vemos en los resultados. No se tomaron de la manera correcta y con seriedad los datos que debimos utilizar en nuestras ecuaciones. Es recomendable que aprendamos de mejor

forma a aplicar los conocimientos adquiridos en teoría, realizar las medidas necesarias y correctas, tener cuidado y poner atención en todo el desarrollo de la práctica (tratar de mantener H=ctte), controlar el buen funcionamiento de la bomba, succión y descarga.

En cuanto al NPSH (teoría), en las instalaciones de bombeo se debe tener en cuenta la NPSH referida a la aspiración de la bomba, distinguiéndose dos tipos de NPSH: requerido (es un dato que debe proporcionar el fabricante en sus curvas de operación) y disponible (depende de las características de la instalación y del líquido a bombear). Valores negativos de Ha (la altura geométrica de aspiración) indican que la bomba trabaja sumergida. La NPSH disponible debe ser mayor que la NPSH requerida para evitar la cavitación. El factor determinante en la cavitación es la temperatura del líquido. La cavitación es, en la mayoría de los casos, un suceso indeseable.

Zapata Vásquez Álvaro Freddy: Se cumplió el objetivo determinado en esta práctica. Bombeando agua hasta el 2do y 3er Piso de la Facultad. Mediante un balance de energía se determino el caudal teórico. Se usaron datos obtenidos en anteriores practicas en este caso para la ecuación característica de la bomba, para el caudal experimental se medio un cierto volumen de agua en un tiempo determinado.Se obtuvo un porcentaje de error muy elevado, este se debió a muchas causas: En primer lugar no se mantuvo la altura de agua constante al momento de que la bomba succionaba el agua, no se tomo las pérdidas correspondientes por fricción a lo largo de la tubería que influye bastante en los resultados. Por todo esto al momento de calcular la eficiencia de la bomba igualmente se tiene resultados inesperados.Una recomendación es siempre estar atentos al momento de manipular el equipo y coordinar el trabajo, ya que esto origino una serie de resultados inesperados.

BIBLIOGRAFÍA

Monografias, 2009-04-25, “Tipos de bombas”, Extraído del Url: http://www.monografias.com/trabajos15/tipos-bombas/tipos-bombas.shtmWikipedia, la enciclopedia libre,“Cavitación”, Extraído del Url: http://es.wikipedia.org/wiki/Cavitaci%C3%B3nWikipedia, la enciclopedia libre, “NPSH”, Extraído del Url: http://es.wikipedia.org/wiki/NPSHRanald V. Giles (1962); “Mecánica de los Fluidos e Hidráulica, 2da. Edición”, Serie de Compendios Schaum, Editorial McGRAW-HILL / Interamericana de México, S.A. de C.V.Joseph Franzini-John Finnemore, “Mecánica de Fluidos con aplicaciones en Ingeniería, McGrallHill, 9na Edición.

ANEXOS

CÁLCULOS

1) Bombeo para el 3er piso

-Balance A→B:

Despejando tenemos: (1)

-Aplicando la ecuación de continuidad:

(2)

-Reemplazando la ecuación (2) en (1)

(1)

- Reemplazamos la ecuación característica de la bomba hallada en la anterior práctica en la ecuación (1)

- Obtenemos una ecuación cubica resolvemos esta para obtener el caudal teórico

-Calculo de caudales promedio

1) Caudal Promedio para el tercer piso

-Cálculo del error

2) Bombeo para el 2do piso

-Balance A→B:

Despejando tenemos: (1)

-Aplicando la ecuación de continuidad:

(2)

-Reemplazando la ecuación (2) en (1)

(1)

- Reemplazamos la ecuación característica de la bomba hallada en la anterior práctica en la ecuación (1)

- Obtenemos una ecuación cubica resolvemos esta para obtener el caudal teórico

-Calculo de caudales promedio

1) Caudal Promedio para el segundo piso

-

Cálculo del error

3) Calculo de la eficiencia de la Bomba para cada piso

4) Calculo de la eficiencia de la Bomba para cada piso