ANALISIS DE CURVAS CARACTERISTICAS DE UNA BOMBA CENTRIFUGA 15AQ-L1 SIMPLE, EN PARALELO Y EN SERIE.

Santiago Ramírez Zabala1, Bryan Gómez Vallejo1

1 Departamento de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia.

ResumenPara el desarrollo de este informe acerca del funcionamiento de una bomba se estudió un sistema de compuesto principalmente por 2 bombas centrifugas de igual referencia(IHM modelo 15AQ-L1) denominado banco de bombas y con una serie de elementos como válvulas, piezómetros, dos tuberías flexibles en acero inoxidable trenzado, resaltando un software diseñado específicamente para este sistema. Inicialmente , en la experiencia se puso en funcionamiento una de las bombas centrifugas variando de manera continua los valores del caudal mediante una válvula de globo, cerrándola gradualmente y conservando la velocidad angular del rodete, obteniendo un conjunto de datos fundamentales para graficar las curvas características de la bomba tales comola carga de altura dinámica, potencia del motor, eficiencia y NPSH disponible, de donde se obtuvieron las bases necesarias para desarrollar las dos practicas posteriores, en las cuales se utilizaron dos de las bombas mencionadas, para la segunda practica se acomodaron estas para su funcionamiento en paralelo y la últimapara su desarrollo en serie.

Palabras Claves: Bomba centrifuga, válvulas, tubería, potencia, eficiencia.

ABSTRACTFor the developmentof this report on the operation of a pump system was studied mainly composed of two centrifugal pumps of the same reference (IHM 15AQ-L1 model) called bench pumps and a number of items such as valves, pressure gauges, two pipes flexible braided stainless steel, highlighting software designed specifically for this system. Initially, the experience was put into operation of centrifugal pumps continuously varying flow values by a globe valve, gradually closing and keeping the angular velocity of the impeller, obtaining a set of core data top lot the characteristic curves pump such as high dynamic load, engine power, efficiency and NPSH available, from which were obtained the necessary foundation to develop the two subsequent practice, in which two of the bombs used above, for the second practice settled the set o operate in parallel and the last for series development.

Keywords: Centrifugal pump, valves, pipe, power, efficiency.

INTRODUCCION

Una bomba centrifuga, es una bomba encargada de transformar la energía mecánica, en la cual un fluido entra por el centro de un rodete, el cual contiene unos alabes para conducir el fluido y gracias a los efectos de la fuerza centrífuga, el fluido es impulsado hacia el exterior de la bomba. Estas bombas presentan múltiples funciones, entre las cuales se destaca agregarle energía a los fluidos con los que trabaja para así transportarlo de un lugar a otro, más rápido y eficiente, sabiendo que la energía especifica que una bomba de estas puede transmitir a determinado fluido depende del caudal circulante. La importancia de esta práctica se encuentra en mayor parte en el análisis que se realiza de los resultados obtenidos en el laboratorio, acerca del desempeño de las bombas y en general del banco que conforman.

Para el desarrollo de esta práctica, donde inicialmente se trabajó con una bomba centrifuga simple, a la cual se le extrajeron unos resultados sobre su funcionamiento y su respectiva caracterización, es decir, se construyeron curvas que describen su trabajo, como la cabeza de la bomba, potencia del motor, eficiencia y NPSH disponible, con los datos obtenidos en la experiencia, tanto del software con el que se contaba, como con los datos de los manómetros, para luego comparas estas curvas con las que se obtuvieron de la misma bomba, provenientes del

fabricante de estas, previamente establecidas.

OBJETIVOS

General:Determinar las curvas características de una bomba centrífuga (IHM modelo 15AQ-L1)a partir de datos obtenidos experimentalmente de su funcionamiento simple, en paralelo y en serie de dos de estas bombas, para luego generar sus curvas características, con el fin de analizar su comportamiento con respecto a las curvas suministradas por el fabricante.

Específicos:-Identificar y comprender los términos necesarios sobre la teoría de la mecánica de fluidos,y el comportamiento de bombas centrifugas en su relación con los fluidos con los que trabaje, en este caso agua.- Interpretar correctamente la información que se encuentran en las curvas características de las bombas centrifugas, tanto las obtenidas experimentalmente, como las que se obtuvieron del fabricante de estas, para su posterior comparación.

MARCO TEORICO

El nombre de centrifuga alude al hecho de que es una fuerza de esa naturaleza la que aumenta la energía de la corriente, el fluido en rotación tiende a escapar hacia fuera produciendo un vacío en su desplazamiento, lo que origina un flujo continuo del fluido que entra en la dirección del eje de la bomba.

Predecir el funcionamiento de una bomba centrifuga en una instalación hidráulica es fundamental, no solo para un óptimo rendimiento de los procesos sino también para el ahorro económico muy importante para cualquier tipo de industria, y para ello las curvas características de la bomba, que representan una relación entre el caudal y parámetros como la cabeza de energía de la bomba, la potencia requerida y eficiencia de la bomba que están en función del tamaño, diseño y construcción de la bomba.

La principal curva característica de la bomba es la que muestra la cabeza total bomba versus el caudal suministrado en cierto momento.

HB=PS−PEγ

(1)

Y esta es la diferencia entre las presiones de salida y de entrada de la bomba dividida por el peso específico del fluido en circulación que en este sería el agua.

La potencia que le suministra la bomba al fluido es importante para conocer el funcionamiento y aprovechar de la

mejor manera una bomba, para conocer la potencia se tiene que tener en cuenta la cabeza de la bomba (ecuación 1) para así obtener la siguiente ecuación:

W B=γ∗HB∗Q(2)

Donde Q es el caudal.

La eficiencia representa la capacidad de la bomba en transformar un tipo de energía en otro relacionando la energía entregada al fluido y la energía entregada a la bomba. Depende de la potencia W B

η=W B

W M

(3)

Donde W M es la potencia suministrada por el motor y está dado por la siguiente ecuación:

W M=I∗V∗cos (ϕ )∗√3(4)

Relacionada directamente con la corriente I y el voltaje V .

La cabeza de succión positiva disponible de la bomba (NPSHD) se relaciona con la presión a la entrada de la bomba requerida para evitar la formación de burbujas en el fluido, más comúnmente llamado cavitación, aunque por lo general los fabricantes de las bombas proporcionan datos necesarios para su correcto análisis, para calcular estos valores se utiliza la siguiente ecuación:

NPSH :Patmγ

+H S−( F∗Lv2D∗2g )+ Pvapγ (5)

Donde no se tienen en cuenta las perdidas por accesorios en la succión

del sistema a la bomba, se cuenta con la presión atmosférica, la presión de vapor y la cabeza estática existente entre el nivel del fluido en el tanque y el eje de succión de la bomba.

El caudal varía directamente con la velocidad, la capacidad total de la cabeza varía con el cuadrado de la velocidad, la potencia requerida por la bomba varía con el cubo de la velocidad, Como se puede observar en las ecuaciones 6, 7 y 8 respectivamente, dadas a continuación:

Q1Q2

=N1N2

(6)

h1h2

=¿(7)

p1p2

=(N 1

N 2

)3

(8)

Donde N: velocidad angular.

Procedimiento.

Se utilizó un sistema como el que se ilustra en la siguiente gráfica:

Acompañado de un software como el que se muestra a continuación:

Principalmente tenemos un denominado banco de bombas, con tuberías flexibles de acero inoxidable trenzado para formar un sistema simple, y con dos bombas centrifugas

formar sistema en paralelo y un sistema enserie.En la primera practicase hace uso de un sistema simple con el funcionamiento de una bomba, la cual es controlada por un software acoplado al sistema por medio del cual es posible controlar la velocidad angular de la bomba y además registrar las presiones de entrada y de salida, la potencia, el voltaje y la corriente. Los valores de estos parámetros cambian debido a una disminución gradual del caudal, que se lleva a cabo por medio de una válvula de globo ubicada en la tubería de succión de la bomba.Inicialmente se establece una velocidad angular constante de 2760 rpm con un caudal inicial de 4067 ml/s, luego se toman los datos arrojados por el software y además se hace una lectura de los manómetros que se encuentran ubicados a la entrada y la salida de la bomba en funcionamiento, luego se cierra la válvula una fracción de vuelta tal que represente un cambio notable en los parámetros anteriormente mencionados y nuevamente se registran los datos, este procedimiento se realiza 10 veces cada vez disminuyendo su caudal hasta llegar a cero.

Para la segunda practica se ubican las tuberías de forma que quede un sistema en paralelo, en conjunto con otra bomba centrifuga semejante a la primera, la velocidad angular sigue constante de 2760 rpm con un caudal inicial de 6104 ml/s, se toman los datos que da el software, para las dos bombas, además de la lectura de los manómetros que están ubicados en la entrada y salida de cada una de las

bombas, luego en el programa, se reduce la apertura en un 10%, para que se vea un cambio notable en los parámetros, y se registran nuevamente los datos, este procedimiento se realiza 10 veces, hasta que la apertura sea de un 10%.

Para la tercera practica se ubican las tuberías de forma que quede un sistema en serie, usando las dos bombas, la velocidad angular permanece constante de 2760 rpm, con un caudal inicial de 4602 ml/s, se toman los datos que da el software, para las dos bombas, además de la lectura de los manómetros que están ubicados en la entrada y salida de cada una de las bombas, luego en el programa, se reduce la apertura en un 10%, para que se vea un cambio notable en los parámetros, y se registran nuevamente los datos, este procedimiento se realiza 10 veces, hasta que la apertura sea de un 10%.

RESULTADOS Y ANALISIS

Luego de finalizar las practicas experimentales en el laboratorio, se obtuvieron los datos requeridos, presentados en las tablas a, b y c, dadas a continuación, a partir de estos datos obtenidos, se cambiaron a unidades del sistema internacional para facilitar los cálculos, al obtenerlos en las unidades deseadas, se procedió a realizar las curvas características de cada practica, para luego compararlas con las graficas dadas por el fabricante.

Para la primera práctica donde se trabajo con una bomba

simple, con un porcentaje de rpm de 80, con una velocidad de 2760 rpm y con un voltaje de

177 v, se obtuvieron los siguientes datos:

Tabla (a) Sistema Simple

Primero se observo la curva de la bomba dada por el fabricante de esta, se tomaron una serie de puntos representativos para graficar la curva de altura dinámica total vs caudal, con una velocidad de 3500 rpm y diámetro

del impulsor de 140 mm, luego se hace uso de las ecuaciones de afinidad (6), (7), (8) para así hallar la misma curva pero con una velocidad de 2760 rpm, que fue a la velocidad que opero nuestra bomba.

0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035 0.00405

10152025303540

Cabeza teorica de bomba

3500 rpm2760 rpm

Caudal (m/s)

Hs (m

)

Grafica 1. Cabeza teórica de bomba

Se determina la cabeza de bomba, una de estas se realiza con los datos obtenidos del computador, y la otra con los datos dados por los manómetros ubicados en la bomba

mediante la ecuación (1), luego estos datos se incorporan en una gráfica junto con la cabeza de la bomba teórica hallada.

0.000 0.001 0.002 0.0030.000

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

cabeza de la bomba

ComputadorManometricaTeorica 2760 rpm

Caudal (m/s)

Hs (m

)

Grafica 2. Cabeza de la bombaDe la anterior grafica se observa que las tres curvas concuerdan, como era de esperarse, y se ve que la cabeza disminuye, mientras el caudal aumenta.

Por medio de los datos contenidos en la tabla, se hace uso de la ecuación (3) se halla la potencia del motor para cada caudal, además de que se usa la curva de potencia elaborada por el fabricante, para así poder compararlas.

0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.0050.000

200.000400.000600.000800.000

1000.0001200.0001400.0001600.0001800.000

POTENCIA

potenciaPolynomial (potencia)Potencia D 140Polynomial (Potencia D 140)

Caudal (m/s)

Pote

ncia

(w)

Grafica 3. Potencia

De donde se observa que a medida que el caudal aumenta, la potencia del motor también lo hace, lo que se da debido a que el consumo de energía incrementa para poder entregar el caudal requerido, además de que ambas curvas se comportan de forma

similar, donde la potencia requerida se incrementa conforme aumenta el caudal.

Luego se determinan los valores de eficiencia para cada caudal, por medio de las ecuaciones (2), (3), (4).

0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.0050.0005.000

10.00015.00020.00025.00030.00035.00040.00045.00050.000

EFICIENCIA

CompPolynomial (Comp)manPolynomial (man)

Caudal (m/s)

% E

ficie

ncia

Grafica 4. Eficiencia

De la anterior grafica se puede observar cierta semejanza en la forma de las curvas de eficiencia tomadas con las presionas dadas por el computador y con las presionas medidas con manómetros, además de que se observa como la mejor eficiencia de la bomba se encuentra entre el 30% y 45% para ambas presiones con las que se trabajo, también se sabe que la máxima eficiencia que podría tener la bomba según el fabricante podría ser de un 45% a un 56% aunque estos valores son para una velocidad angular de 3500rpm, y para este laboratorio la bomba operó con una velocidad de 2760 rpm, un valor mucho menor, el cual pudo haber causado un descenso en los valores de eficiencia dados por la bomba.

Para la gráfica de NPSH disponible de la bomba se uso la ecuación (5), donde previamente se calcularon las pérdidas por fricción y por accesorios en la succión, obteniendo y basándose en los siguientes datos.

Tabla 1. Datos experimentales

A partir de estos datos se obtiene la siguiente grafica, donde se comparan el NPSH disponible, con el NPSH requerido para un diámetro de 171 pul dado por el fabricante para una velocidad de 3500 rpm, el cual se halla para la velocidad de 2760 rpm, que fue la que se uso para esta práctica, con las ecuaciones de afinidad anteriormente descritas.

0.0000 0.0010 0.0020 0.0030 0.0040 0.00503.004.005.006.007.008.009.00

10.0011.0012.00

NPSH (Disponible)

NPSHNPSH requerido D 171

Caudal (m/s)

H (m

)

Grafica 5. NPSH Disponible

De la anterior grafica se observa como el NPSH Disponible esta en siempre por encima del requerido, lo que satisface el hecho de que no se haya presenciado cavitación durante el periodo que se trabajo esta práctica.

Para la segunda práctica en la que se hizo uso de dos bombas, ubicadas para realizar su trabajo en paralelo, para un porcentaje de rpm de 80, con una velocidad de 2760 rpm y con un voltaje de 177 v, se obtuvo la siguiente tabla de datos.

Bomba 1 Bomba 2 Bomba 1 Bomba 2 Bomba 1 Bomba 2 Bomba 1 Bomba 2 Bomba 1 Bomba 2 Bomba1 Bomba 2100 6104 4,8 7,1 771 1101 1,9 -1,7 13,8 20,4 0 0 18 23

90 5705 4,7 7 756 1061 1,7 -1,6 13,1 20,1 0 0 16 1880 5391 4,6 6,9 739 1054 1,1 -1,2 11,1 19,8 0 0 17 2270 5142 4,9 6,9 732 1032 1 -1,5 12,8 20,2 0 0 17 2360 5122 5,1 6,8 720 1010 0,9 -1,3 15,4 21,4 0 0 18 2350 5091 5,2 6,5 741 977 0,6 -0,6 20,2 24,7 0 0 26 2640 4663 5,7 5,7 835 879 0,5 0,5 28,2 29,7 0 0 32 3130 3198 5,3 5,1 801 780 1,2 1,2 32,6 33,1 0 0 36 3420 1671 4,7 4,4 710 673 1,7 1,8 34,7 35 0 0 38 3710 240 4,2 4 635 615 2 1,9 35,2 35,5 0 0 38 37

Apertura (%)

PsiPresión de SalidaCaudal

(ml/s)Corriente Potencia (W) Presión de Succión Presión de Descarga Presión de Entrada

Tabla (b) Sistema en paralelo

A partir de la anterior tabla se procedió a hallar los datos necesarios en las unidades deseadas de sistema internacional, para mayor facilidad y mejor comprensión de los datos.

Con la ecuación (1), se obtuvieron los valores para H, tanto para las presiones obtenidas por el computador, como para las obtenidas atreves de los manómetros, y se obtuvieron las siguientes graficas, donde se ve la curva

de cada una de las bombas que trabajaron en paralelo.

0.0000 0.0010 0.0020 0.0030 0.0040 0.0050 0.0060 0.00700

5

10

15

20

25

30

Cabeza de la Bomba (man)

Bomba 1Polynomial (Bomba 1)Bomba 2Polynomial (Bomba 2)

Caudal (m3/s)

Hs (m

)

Grafica 6. Cabeza de bombas en paralelo, datos de manómetros.

De la anterior grafica se pueden analizar varios factores, donde se ve que con los pequeños caudales la bomba 1 presenta una cabeza mayor por lo que se ve un estrangulamiento, aunque ambas bombas presentan curvas similares, lo que se debe a que ambas bombas son de igual referencia y presentan datos similares al transportar el flujo.

0.0000 0.0020 0.0040 0.0060 0.00800

5

10

15

20

25

Cabeza de la bomba (comp)

Bomba 1Polynomial (Bomba 1)Bomba 2Polynomial (Bomba 2)

Caudal (m3/s)

Hs (m

)

Grafica 7. Cabeza de bombas en paralelo, datos de computador.

Para la tercera y última práctica de este laboratorio, se ubicaron las dos bombas y las tuberías de

acero inoxidable trenzado, de forma que se tuviera un sistema trabajando en serie, donde el

fluido pasaba primero por la bomba 1 y luego por la bomba 2

para su trabajo, de donde se obtuvieron los siguientes datos.

Bomba 1 Bomba 2 Bomba 1 Bomba 2 Bomba 1 Bomba 2 Bomba 1 Bomba 2 Bomba 1 Bomba 2 Bomba1 Bomba 2100 4602 7,4 7,6 1132 1135 -3,7 5,1 4,8 19,2 -6 8 12 24

90 4504 7,2 7,2 1074 1136 -4,1 5,8 5,7 18,9 -7 8 11 2380 4486 7,2 7,3 1082 1148 -4 6,5 6,6 17,6 -7,5 8 11 2370 4122 7,3 7,5 1071 1108 -3,3 5,7 6,2 17,1 -7,5 9 11 2360 4078 7,4 7,5 1100 1128 -3,5 8,7 8,1 22,4 -5 9 12 2450 4021 7,4 7,4 1119 1124 -3,5 9,7 9,4 25,1 -4,3 10 12 2740 4008 7,2 7,2 1094 1097 -2,9 14,1 13,8 31,6 -2,5 13 17 3330 3649 6,7 6,7 1022 1026 -1,5 21,4 20,8 43,5 0 24 22 4520 2225 5,6 5,6 846 849 0,8 31,8 30,1 60,9 0 32 33 6510 321 4,2 4,2 635 640 2 36 34,1 68,5 0 36 37 73

Psi

Apertura (%)Presión de Salida

Caudal (Q)Corriente Potencia (W) Presión de Succión Presión de Descarga Presión de Entrada

Tabla (c) Sistema en serie

De los datos contenidos en la tabla anterior, se realizo su cambio a las unidades deseadas de sistema internacional, para mejorar los cálculos y su comprensión.Se procedió a hacer uso de la ecuación 1 para calcular H de cada una de las bombas, tanto con las presiones dadas

por el computador como con las presiones obtenidas de los manómetros, luego se sumaron las cabezas y se graficaron las curvas de H total de las dos bombas con las presiones provenientes del computador y otra con las presiones leídas en el manómetro.

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.0050.0000

10.000020.000030.000040.000050.000060.000070.000080.000090.0000

H total

H comp totalPolynomial (H comp total)H exp totalPolynomial (H exp total)

Caudal (m/s)

H (m

)

Grafica 8. H total de ambas bombas en serie

De la anterior grafica podemos observar que ambas bombas están aportando cabeza al transporte del fluido, aunque las curvas difiern un poco en cabeza, se debe a que una viene de datos obtenidos por medio del software del computador, y la otra con datos

obtenidos por medio de los manometros, pero tienen comportamiento similar, como era de esperarse.

CONCLUSIONES.

En general las curvas obtenidas experimentalmente siguen un comportamiento similar al de las teóricas, no obstante dicho comportamiento ocurre alrededor de un 80% de la máxima capacidad de revoluciones que puede tener la bomba. Bajo estas condiciones no se presenta un óptimo funcionamiento ya que hay una menor altura dinámica y un mayor requerimiento de energía puesto que la potencia del motor aumenta.

La eficiencia disminuye considerablemente debido a que la bomba fue diseñada para un caudal entre 10 y 20 m3/h y una velocidad de giro fija de 3500rpm, estos dos parámetros determinan la inclinación de los alabes, y el caudal por debajo o por encima del establecido como en este caso (entre 0 y 15 m3/h) produce mayores pérdidas por choque, además es importante tener en cuenta las perdidas volumétricas (fugas) y perdidas por fricción (mecánicas) que a su vez afectan la altura dinámica y la potencia del motor.

Al observar el transporte del fluido con las bombas funcionando en paralelo, podemos concluir que las diferencias de cabeza obtenidas, se deben a que la bomba 2 debe realizar un recorrido mas largo con el fluido y con mas perdidas que el que debe hacer la bomba 1.

Con ambas bombas funcionando en paralelo y en serie, vemos como las bombas con una eficiencia de 80% funcionan similarmente, lo que quiere decir que ambas bombas trabajan en un rango funcional a pesar de los años que tengan de uso.

Bibliografía

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