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BOMBAS CENTRIFUGAS
LANCHEROS, Juan, MOSQUERA, José y TOUS, Alberto
Universidad del Atlántico
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química
Profesor: Ing. Crisóstomo Peralta
Asignatura: Mecánica de fluidos I
Fecha: lunes, 17 de Diciembre de 2007
RESUMEN
la práctica de laboratorio Bombas Centrífugas, cuyo objetivo era el manejo práctico de los conceptos
relacionados con el funcionamiento de bombas centrífugas y el análisis de sus comportamientos.
Este trabajo se realizó en un solo banco que contaba de un tanque para agua de almacenamiento,
una bomba centrífuga accionada por un motor de velocidad variable, el cual es controlado por un
rectificador de corriente (transformadores de corriente); un dinamómetro para conocer la estabilidad
del motor (torque). Además consta de dos medidores de presión en la succión y en la descarga y un
contador de flujo. También se contó con un tacómetro para la medición de las velocidades en el eje
del motor, y con un cronómetro para la medición del tiempo de bombeo de un volumen de agua. Se
puso entonces a arrancar el equipo, y se realizaron diferentes corridas para seis lecturas en el
transformador variando la rata de flujo con la válvula de descarga.
INTRODUCCIÓN
Puede decirse que la mayoría de los procesos en la industria química incluyen el
transporte de líquido en de todos los tipos, y hacia cualquier sitio a través de ciertos
equipos y dispositivos empleados para suministrarle la energía mecánica necesaria
para realizar un trabajo.
El medio más común de comunicar energía es mediante un mecanismo de
desplazamiento positivo o de una acción centrifuga suministrada por fuerzas
externas. En general se utilizan bombas para elevar la presión del fluido, subir el
fluido desde un depósito a un destino que está a mayor altura, incrementar la carga
de velocidad y suplir cualquier perdida de energía que se de en el sistema debido a
la fricción y accesorios; es por esto que la clasificación mas ajustada a sus
condiciones de operación dependen de la forma como transfieren el fluido en su
interior desde la succión hasta la descarga. Sin embargo de las diferentes clases de
bombas, la bomba centrifuga es la mas utilizada a nivel industrial por su sencillez,
bajo costo y maneja mas cantidad de líquido.
OBJETIVOS
Manejar en forma práctica los conceptos relacionados con el funcionamiento
de una bomba centrifuga
Elaborar las curvas características de una bomba centrifuga e interpretar sus
resultados.
i) DISCUSIÓN TEÓRICA
Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía
mecánica de un impulsor rotatorio llamado rodete en energía cinética y potencial
requeridas. Aunque la fuerza centrífuga producida depende tanto de la velocidad en
la periferia del impulsor como de la densidad del líquido, la energía que se aplica por
unidad de masa del líquido es independiente de la densidad del líquido. Por tanto,
en una bomba dada que funcione a cierta velocidad y que maneje un volumen
definido de líquido, la energía que se aplica y transfiere al líquido, (en pie-lb/lb de
líquido) es la misma para cualquier líquido sin que importe su densidad. Por tanto, la
carga o energía de la bomba en pie-lb/lb se debe expresar en pies o en metros y es
por eso por lo que se denomina genéricamente como "altura".
BOMBAS CENTRÍFUGAS
Una bomba centrífuga consiste en un rodete que produce una carga de presión por
la rotación del mismo dentro de una cubierta. Las diferentes clases de bombas se
definen de acuerdo con el diseño del rodete, el que puede ser para flujo radial o
axial.
Tipo Radial
Este rodete envía por una fuerza centrífuga, el flujo del fluido en dirección radial
hacia la periferia de aquel. La carga de velocidad es convertida a carga de presión en
la descarga de la bomba. Por lo general, los alabes (aletas) de estos rodetes están
curvados hacia atrás. El rodete radial ha sido el tipo más comúnmente usado.
Flujo axial o tipo hélice
Casi toda la carga producida por este rodete es debida a la acción de empuje de las
aletas. El fluido entra y sale del rodete en dirección axial o casi axial.
Flujo mixto
La carga se desarrolla con un rodete delgado, en parte por fuerza centrífuga y en
parte por el empuje de las aletas.
Esto se consigue construyendo aletas de curva doble o en forma de hélice, de tal
forma que la descarga es una combinación de flujo axial y radial.
CLASES DE BOMBAS. Las bombas centrífugas pueden ser de dos tipos: el horizontal y
el vertical.
Horizontal: La bomba primera tiene un propulsor vertical conectado a un eje
horizontal. La bomba centrifuga horizontal es la más usada, cuesta menos, es fácil
de instalar y es más accesible para su inspección y mantenimiento, sin embargo,
requiere mayor espacio que la bomba de tipo vertical.
Vertical: La bomba de tipo vertical consta de un propulsor horizontal conectado a un
eje vertical.
Tanto las verticales como las horizontales succionan agua dentro de sus propulsores,
por lo que deben ser instaladas a sólo unos cuatro metros sobre la superficie del
agua.
Existen varias formas de clasificar las bombas centrifugas y entre ellas se tienen las
siguientes:
Clasificación según el tipo de impulsor
Impulsor abierto: En esta clase de impulsor las paletas están unidas directamente
al núcleo del impulsor sin ningún plato en los extremos. Su uso está limitado a
bombas muy pequeñas, pero se puede manejar cualquier líquido y además
inspeccionarlo es muy sencillo.
Impulsor semi-abierto: Su construcción varía en que está colocado un plato en el
lado opuesto de la entrada del líquido y por ende está más reforzada que el
impulsor. Tienen la función de disminuir la presión en la parte posterior del impulsor
y la entrada de materiales extraños se alojan en la parte posterior del mismo.
Impulsor cerrado: Este impulsor se caracteriza porque además del plato posterior,
lo rodea una corona circular en la parte anterior del impulsor. Esta corona es unida
también a las paletas y posee una abertura por donde el líquido ingresa al impulsor.
Este es el impulsor más utilizado en las bombas centrífugas por su rendimiento, que
es superior a los dos anteriores. Debe ser utilizado en líquidos que no tienen sólidos
en suspensión.
Simple succión: Las bombas de simple succión admiten agua solo por un lado del
impulsor.
Doble succión: Las de doble succión lo hacen por ambos lados.
Las bombas de doble succión funcionan como si existieran dos impulsores, uno en
contra posición del otro y esto elimina el problema de empuje axial. Otra ventaja es
la seguridad con la que trabajan frente a la cavitación, ya que el área de admisión
del agua es superior a las de las bombas de simple succión.
Clasificación según del número de impulsores empleados
Bombas de una fase: La bomba de una sola fase es aquella en la que la carga o
altura manométrica total es proporcional por un único impulsor.
Bombas de múltiples fases: Alcanza su altura manométrica o carga con dos o más
impulsores, actuando en serie en una misma carcasa y un único eje, es por esto que
las bombas de múltiples fases son utilizadas en cargas manométricas muy altas.
Clasificación según la trayectoria del líquido en el impulsor
Bombas de flujo radial: En este tipo de bomba el líquido penetra al impulsor en
dirección paralela al eje de la bomba y sale en dirección perpendicular al eje del
impulsor. Las cargas manométricas a manejar son las altas.
Bombas de flujo axial: Aquí el líquido penetra axialmente en el impulsor y su salida
es en la misma dirección; son utilizadas para cargas manométricas bajas.
Bombas de flujo mixto: El flujo penetra axialmente en el impulsor y sale en una
dirección intermedia entre radial y axial; las cargas manométricas manejadas son
medias.
Rendimiento de las Bombas. Cuando un líquido fluye a través de una bomba, sólo
parte de la energía comunicada por el eje del impulsor es transferida el fluido. Existe
fricción en los cojinetes y juntas, no todo el líquido que atraviesa la bomba recibe de
forma efectiva la acción del impulsor, y existe una pérdida de energía importante
debido a la fricción del fluido. Ésta pérdida tiene varias componentes, incluyendo las
pérdidas por choque a la entrada del impulsor, la fricción por el paso del fluido a
través del espacio existente entre las palas o álabes y las pérdidas de alturas al salir
el fluido del impulsor. El rendimiento de una bomba es bastante sensible a las
condiciones bajo las cuales esté operando. El rendimiento de una bomba viene
dado por:
ii) ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓ
La experiencia consistió en el análisis y determinación de las curvas características
de una bomba centrífuga.
Reactivos: Agua a temperatura ambiente.
Metodología: Para operar el equipo, se inició abriendo la válvula de succión y
descarga de la bomba. Se llenó el tanque de alimentación y se cerró la válvula de
descarga de la bomba. Se calibró la balanza del dinamómetro para la medición del
torque del motor. Posteriormente se suministró corriente al motor de la bomba
girando los transformadores de forma simultánea, hasta que se obtuvo la lectura
correspondiente a una velocidad de rotación determinada. Lentamente se abrió la
válvula de descarga y se permitió la estabilización del equipo. Luego de esto, se
inició la experiencia. Se ubicaron los transformadores en una lectura de 90. Se cerró
totalmente la válvula de descarga de la bomba y se anotó la lectura del manómetro
de descarga. Se abrió luego la válvula completamente, y se anotó la lectura del
manómetro.
Con el tacómetro, se midió igualmente la velocidad del motor (en rpm), teniendo en
cuenta que esta sería la velocidad de referencia y que no podía variar más del 12%.
En la válvula de descarga se varió la tasa de flujo para seis corridas, registrando en
cada variación: velocidad del motor ajustada a la velocidad de referencia, volumen
(en L) y tiempo (en s) para un determinado recorrido del puntero en la escala.
También la presión en la descarga y el torque (en lb x ft).
Esto se hizo para cinco lecturas en el transformador. Al finalizar con la última
lectura, se cerró la válvula de descarga de la bomba, y se giraron las dos perillas de
los transformadores, colocándolas en 0.
Datos obtenidos:
LECTURA EN EL TRANSFORMADOR: 70CORRIDA VEL MOTOR (RPM) VOL (L) t (s) Ps (PSI) PD (PSI) TORQUE (lb*ft)
1 2000 5 13,08 0 10,5 0,343752 2000 5 13,83 0 11 0,31253 2000 5 15,55 0 11,5 0,28124 2000 5 18,37 0 12 0,28125 2000 5 24,71 0 12,5 0,28126 2000 5 44,32 0 13 0,2812
LECTURA EN EL TRANSFORMADOR: 80CORRIDA VEL MOTOR (RPM) VOL (L) t (s) Ps (PSI) PD (PSI) TORQUE (lb*ft)
1 2067 5 12,48 0 13,5 0,31252 2067 5 13,56 0 14 0,40623 2067 5 15,81 0 14,5 0,3754 2067 5 19,63 0 15 0,3755 2067 5 28,9 0 15,5 0,3756 2067 5 91,88 0 16 0,375
Aplicando la ecuación de Bernoulli entre la corriente de succión y de descarga, y despreciando los términos de diferencia de altura, de velocidad y pérdidas por fricción, obtenemos:
Ha = (PD – PS) / Agua @ 86°F, = 62,14 lb / ft3.La conversión que usamos para pasar de PSI a lb/ft2 fue 1 PSI = 144 lb/ft2 Para Pasar de Lb*ft*rev/s a hp, realizamos los siguientes pasos:
Para la eficiencia de la bomba se dividió HHP entre BHP.
Tabla 1. Resultados LECTURA EN EL TRANSFORMADOR: 70n VEL(RPM) VOL (ft3) t (s) Ps (PSI) PD (lb/ft2) TOR(lb*ft) Q (gpm) (Ha)( ft) N (1/s) HHP (hp) BHP (hp) η 1 2000 0,176553672 13,08 0 1512 0,34375 6,060596244 24,3321532 209,4395102 0,037107194 0,130899694 0,283478082 2000 0,176553672 13,83 0 1584 0,3125 5,731930504 25,49082716 209,4395102 0,036766058 0,118999722 0,308959193 2000 0,176553672 15,55 0 1656 0,2812 5,097916326 26,64950113 209,4395102 0,034185663 0,10708071 0,319251375 2000 0,176553672 24,71 0 1800 0,2812 3,208118125 28,96684905 209,4395102 0,023383732 0,10708071 0,218374836 2000 0,176553672 44,32 0 1872 0,2812 1,788641671 30,12552301 209,4395102 0,013558766 0,10708071 0,12662193
Tabla 2. Resultados LECTURA EN EL TRANSFORMADOR: 80
n VEL(RPM) VOL (ft3) t (s) Ps (PSI) PD (lb/ft2) TOR(lb*ft) Q (gpm) (Ha)( ft) N (1/s) HHP (hp) BHP (hp) η1 2067 0,176553672 13,08 0 1944 0,34375 6,060596244 31,28419697 216,4557338 0,047709249 0,135284834 0,352657782 2067 0,176553672 13,83 0 2016 0,3125 5,731930504 32,44287094 216,4557338 0,046793164 0,122986212 0,380474883 2067 0,176553672 15,55 0 2088 0,2812 5,097916326 33,6015449 216,4557338 0,043103662 0,110667913 0,389486534 2067 0,176553672 18,37 0 2160 0,2812 4,31532928 34,76021886 216,4557338 0,037744933 0,110667913 0,341064836 2067 0,176553672 44,32 0 2304 0,2812 1,788641671 37,07756678 216,4557338 0,016687712 0,110667913 0,15079088
GRAFICOS
Para el transformador de 70
Para el transformador de 80
PREGUNTAS
1. Defina: Columna estática en la succión, en la descarga y total en un sistema de
bombeo.
Carga estática
La carga estática es la distancia vertical, expresada en metros, entre el origen de la succión
y el punto de alimentación considerado como el más desfavorable, ya sea por su altura, su
lejanía, o por ambos.
Esta carga está formada por la suma algebraica de la carga estática de descarga, más la
carga estática de descarga, o altura estática de succión.
Carga estática de descarga
Es la distancia vertical entre el centro geométrico del impulsor de la bomba y el nivel más
alto que alcanza el líquido bombeado en la tubería donde descarga, expresada en metros
de columna de agua.
Carga, o altura estática de succión
Es la distancia vertical, expresada en metros, entre el fondo de la cisterna y el eje de la
bomba, se le denomina “Carga estática de succión”, si el fondo esta arriba del eje de la
bomba, y “Altura estática de succión” si el fondo está abajo del eje de la bomba.
2. Defina: Columna dinámica en la succión, en la descarga y total en un sistema de
bombeo.
Columna o carga dinámica en la succión (hs): En bombas centrífugas es la suma algebraica
de la carga estática de succión, la carga de velocidad y las pérdidas por fricción y entrada
en la tubería de succión, en unidades de longitud (m); se obtiene a partir de:
hs = hes + hvs + hfs
Donde, hes es la carga estática de succión hvs es la carga de velocidad y,
hfs las pérdidas por fricción en la tubería de succión
En las bombas rotatorias y reciprocantes, este término es la presión hidráulica total arriba
de la presión atmosférica en la admisión de la bomba, y es la diferencia entre la carga
estática de succión y la carga de fricción en la succión, expresada en kg/cm2 o su
equivalente.
Columna o carga dinámica en la descarga (hd): Es la suma de la carga estática de
descarga, la carga de velocidad y fricción en la tubería de descarga, en unidades de
longitud (m); se obtiene:
hd = hed + hvd + hfd
donde, hed es la carga estática de descarga hvd es la carga de velocidad, hfd las pérdidas por
fricción en la tubería de descarga.
Columna o carga dinámica total (H): Es el incremento de energía por unidad de peso del
fluido impartido al mismo por la bomba. Es, por tanto, la diferencia algebraica de la carga
dinámica de descarga y la carga dinámica de succión, en unidades de longitud (m) de
columna de líquido. Su ecuación es la siguiente: H = hd - hs
3. ¿En qué consiste el fenómeno de la cavitación en el bombeo de líquidos?
La cavitación se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de
un líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo admisible. Esta baja que sufre
la presión es debida a los efectos dinámicos de un líquido al escurrir, siguiendo fronteras
curvas o alrededor de cuerpos sumergidos.
El fenómeno consiste en un cambio rápido y explosivo de fase líquida a vapor. Si el liquido
fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, éste
hierve y forma burbujas. Estas burbujas son transportadas por el líquido hasta llegar a
una región de mayor presión, donde el vapor regresa al estado líquido de manera súbita
aplastándose bruscamente las burbujas. Este fenómeno se llama CAVITACIÓN
4. Defina: Columna neta de succión positiva requerida y disponible.
CSPN – Capacidad
Esta es otra característica de una bomba centrífuga, la cual es muy importante y siempre
se da con las curvas de operación de la bomba, relacionándola con la capacidad. Esta
información nos da el valor de la CSPNR o de la bomba el cual puede tomarse como
referencia para determinar la CSPNA o del sistema para una operación adecuada.
5. ¿Para qué y cómo se efectúa un cebado en una bomba? Presente un ejemplo.
Cebado de una bomba
Este proceso consiste en llenar de agua la tubería de succión y la carcaza de la bomba, con
el propósito de provocar la succión del agua; evitando que queden bolsas de aire en su
interior.
El llenado con agua se realiza, a través de despiche o directamente a través del chupador.
En las bombas denominadas autocebantes, este proceso no es necesario.
- Sistema Volumétricos: Son aquellos en los que la bomba auxiliar de cebado es del tipo
volumétrico, (Bombas de pistones) es decir son aquellas que en cada rotación mueven un
volumen de liquido. Los sistemas más representativos en el mercado son El sistema
Trokomat y el sistema Automatic de las bombas Rosembauer. La ventaja de este sistema
es que no necesitamos un elevado régimen motor para producir el vacío, es decir a ralentí
se consigue realizar el cebado aunque es evidente que si aceleramos lo conseguiremos
realizaren menos tiempo.
Sistema Trokomat
Es el montado en las bombas Ziegler. Aparte de la ventaja mencionada, presenta otra y es
la de ser totalmente automático con lo que no hace falta que el operador le preste
ninguna atención. El sistema trokomat es controlado solo por la presión de agua en la
bomba de pistones y no necesita fluidos auxiliares. Funciona a bajas revoluciones. Se trata
de dos pistones accionados a través de un eje por una excéntrica y presionados contra la
excéntrica por sendos muelles. Funciona pues como dos bombas aspirantes impelentes
conectadas entre la toma de aspiración y el exterior (salida de aire).
Primer tiempo: Cuando la excéntrica presiona el pistón este se mueve provocando un
doble efecto (encima y debajo del pistón) a) una sobrepresión por encima del pistón y la
salida de aire por encima ya que el diafragma de salida de gas-aire se encuentra sobre el
pistón y mientras este se desplaza se mantiene cerrado, empujado el aire hacia el exterior
por las lumbreras de salida b) un vacío en la toma de aspiración de la bomba, y la
posterior abertura del diafragma de entrada y el paso de gas-aire al cilindro en este
momento el pistón se encuentra pegado a la tapa de salida y el muelle totalmente
comprimido.
Segundo tiempo: Ahora la excéntrica se aleja de la varilla que empuja el pistón y permite
que el muelle lo empuje hacia abajo, abriéndose el diafragma que hay sobre el mismo y
llenándose la cámara cilíndrica que va quedando encima del pistón con el gas-aire que se
encontraba capturado en el primer tiempo y que no puede escapar hacia la toma de
aspiración por el diafragma que le cierra el paso, pero que si puede pasar a través del
diafragma que hay sobre el pistón.
Estos dos tiempos se suceden hasta que no queda aire en la aspiración y se empieza a
inundar todo de agua. Llegando un momento en que la excéntrica empuja el pistón a tope
quedando la cámara cilíndrica debajo del mismo llena de agua y la varilla de empuje del
pistón separada temporalmente de la excéntrica girando esta en vacío, dado que el agua
es un fluido incompresible y que el diafragma que hay sobre el pistón se encuentra
parcialmente cerrado al estar pegado a la tapadera del trokomat,
El modo de operación es mostrado en el gráfico de la pagina siguiente: El color aparillo
corresponde al aire que es expulsado durante el primer tiempo (parte de encima del
pistón), el naranja al aire que es succionado durante el mismo primer tiempo. También
podemos observar como queda desconectado
iii) CONCLUSIONES
Una de las principales conclusiones que podemos mencionar sobre esta experiencia, es
que después de cierto tiempo de uso, los componentes internos de las bombas
centrifugas se desgastan con el paso del tiempo. En el equipo inicial se incluyen anillos de
ajustes para cubrir los espacios entre el impulsor y la carcasa para mantener los valores
óptimos. Con el desgaste de los anillos, los claros se agrandan y el rendimiento de la
bomba disminuye.
El operar la bomba en puntos alejados del punto de eficiencia óptima somete a cargas
más altas a los rodamientos, sellos y anillos contra el desgaste, y reduce la vida de la
bomba.
Todo estos factores han producido un grave deterioro de este equipo por lo cual solo se
tomaron dos mediciones en la lectura del transformador, el grupo de trabajo se siente
insatisfecho en lo que respecta a las condiciones del equipo, a pesar de que los resultados
obtenidos obedecen el comportamiento señalado en la literatura; nos atrevemos a
recomendar un mejor mantenimiento de los equipos de laboratorio o mejor aún el
reemplazo de alguno de estos, como lo es la bomba centrifuga.
iv) REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
i) MOTT, Robert. “Mecánica de fluidos aplicada”. 6 ed. México: Prentice Hall, 2006.
644 p.
ii) www.wikipedia.org
iii) PÉREZ, Luis. “Selección fina de bombas”. Universidad de buenos aires, 2005. 21 p.
v) FRANZINI, Joseph; FINNEMORE, John. MECÁNICA DE FLUIDOS CON APLICACIONES EN
INGENIERIA. 9 ed. McGraw-Hill : México. 503 p.
vi) APÉNDICE
Fotografía A1. Bomba centrifuga