Lab 1.docx

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

ABREVIATURAS Y SIMBOLOS:

𝜌: densidad del agua [Kg/m3] PE: presión del agua en la entrada de la válvula medido en [bar] PS: presión del agua en la salida de la válvula medido en [bar] g: gravedad del lugar en cuestión en [m/s2] D: diámetro de la tubería [m] Q: caudal en [m3/s] V: velocidad del fluido [m/s] Hu: altura útil de la bomba [m] Nu: potencia útil de la bomba [KW] A: área transversal del sistema de tuberías en [m2] Re: numero de Reynolds µ: viscosidad del agua [Pa] f: coeficiente de fricción k: coeficiente de resistencia para válvulas y acoplamientos Leq: longitud equivalente [m] H rT: pérdidas totales [m] hpp : pérdidas primarias [m] hps : pérdidas secundarias [m]

1

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

ÍNDICE 1.

INTRODUCCIÓN. .................................................................................................................... 3 1.1

2.

OBJETIVOS. ............................................................................................................................ 4 2.1

3.

4.

Antecedentes. ............................................................................................................... 3

Objetivo General. .......................................................................................................... 4

MARCO TEÓRICO.-................................................................................................................. 4 3.1

Funcionamiento de una bomba centrífuga.-................................................................. 4

3.2

Principios de una bomba hidráulica.- ............................................................................ 6

3.3

Partes de una bomba centrífuga.- ................................................................................. 8

3.4

Triángulos de velocidades, alturas y par motor en las bombas centrífugas. ................ 8

3.5

Curvas características de las bombas centrífugas. ...................................................... 12

METODOLOGIA.- ................................................................................................................. 16 4.1

Equipo, material e instrumentos.- .............................................................................. 16

4.1.1

Fichas Técnicas .................................................................................................... 16

4.2

MONTAJE DEL EQUIPO. ............................................................................................... 18

4.3

PROCEDIMIENTO. ........................................................................................................ 18

4.4

OBTENCIÓN Y REGISTRO DE DATOS. ........................................................................... 19

4.5

CÁLCULOS. ................................................................................................................... 20

4.6

PROCESAMIENTO DE DATOS. ...................................................................................... 21

5.

CUESTIONARIO. ................................................................................................................... 23

6.

DISCUSIÓN E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS. ....................................................... 27

7.

CONCLUSIONES. .................................................................................................................. 28

8.

BIBLIOGRAFÍA. ..................................................................................................................... 29

2

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

1. INTRODUCCIÓN. Las bombas centrífugas, también denominadas rotativas, tienen un rotor de paletas giratorio sumergido en el líquido. El líquido entra en la bomba cerca del eje del rotor, y las paletas lo arrastran hacia sus extremos a alta presión. El rotor también proporciona al líquido una velocidad relativamente alta que puede transformarse en presión en una parte estacionaria de la bomba, conocida como difusor. En bombas de alta presión pueden emplearse varios rotores en serie, y los difusores posteriores a cada rotor pueden contener aletas de guía para reducir poco a poco la velocidad del líquido. En las bombas de baja presión, el difusor suele ser un canal en espiral cuya superficie transversal aumenta de forma gradual para reducir la velocidad. El rotor debe ser cebado antes de empezar a funcionar, es decir, debe estar rodeado de líquido cuando se arranca la bomba. Esto puede lograrse colocando una válvula de retención en el conducto de succión, que mantiene el líquido en la bomba cuando el rotor no gira. Si esta válvula pierde, puede ser necesario cebar la bomba introduciendo líquido desde una fuente externa, como el depósito de salida. Por lo general, las bombas centrífugas tienen una válvula en el conducto de salida para controlar el flujo y la presión. En el caso de flujos bajos y altas presiones, la acción del rotor es en gran medida radial. En flujos más elevados y presiones de salida menores, la dirección de flujo en el interior de la bomba es más paralela al eje del rotor (flujo axial). En ese caso, el rotor actúa como una hélice. La transición de un tipo de condiciones a otro es gradual, y cuando las condiciones son intermedias se habla de flujo mixto.

1.1 Antecedentes.

El desarrollo

de la capacidad descriptiva de la observación de la elaboración de

documentos técnicos, tiene que desembocar como un hábito gremial del ingeniero y en nuestro caso es el mejor camino para consustanciarse y familiarizarse de formas objetiva con la naturaleza y tecnología fundamental de las bombas.

3

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

2. OBJETIVOS. 2.1 Objetivo General.

Determinar los parámetros técnicos y parámetros medibles de la Bomba Centrífuga, y estimar los rangos de funcionamiento para una operación óptima.

3. MARCO TEÓRICO.3.1 Funcionamiento de una bomba centrífuga.Las bombas centrífugas mueven un cierto volumen de líquido entre dos niveles; son pues, máquinas hidráulicas que transforman un trabajo mecánico en otro de tipo hidráulico. Los elementos de que consta una instalación son: a) Una tubería de aspiración, que concluye prácticamente en la brida de aspiración. b) El impulsor o rodete, formado por un conjunto de álabes que pueden adoptar diversas formas, según la misión a que vaya a ser destinada la bomba, los cuales giran dentro de una carcasa circular. El rodete es accionado por un motor y va unido solidariamente al eje, siendo la parte móvil de la bomba. El líquido penetra axialmente por la tubería de aspiración hasta la entrada del rodete, experimentando un cambio de dirección más o menos brusco, pasando a radial, (en las centrífugas), o permaneciendo axial, (en las axiales), acelerándose y absorbiendo un trabajo. Los álabes del rodete someten a las partículas de líquido a un movimiento de rotación muy rápido, siendo proyectadas hacia el exterior por la fuerza centrífuga, creando una altura dinámica de forma que abandonan el rodete hacia la voluta a gran velocidad, aumentando también su presión en el impulsor según la distancia al eje. La elevación del líquido se produce por la reacción entre éste y el rodete sometido al movimiento de rotación. c) La voluta es un órgano fijo que está dispuesta en forma de caracol alrededor del rodete, a su salida, de tal manera que la separación entre ella y el rodete es mínima en la parte superior, y va aumentando hasta que las partículas líquidas se encuentran frente a la abertura de impulsión. Su misión es la de recoger el líquido que abandona el rodete a gran velocidad, cambiar la dirección de su movimiento y encaminarle hacia la brida de impulsión de la bomba.

4

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

La voluta es también un transformador de energía, ya que frena la velocidad del líquido, transformando parte de la energía dinámica creada en el rodete en energía de presión, que crece a medida que el espacio entre el rodete y la carcasa aumenta, presión que se suma a la alcanzada por el líquido en el rodete. En algunas bombas existe, a la salida del rodete, una corona directriz de álabes que guía el líquido antes de introducirlo en la voluta. d) Una tubería de impulsión, instalada a la salida de la voluta, por la que el líquido es evacuado a la presión y velocidad creadas en la bomba.

Fig. 3.1 Bomba centrífuga, disposición, esquema y perspectiva. Estos son, en general, los componentes de una bomba centrífuga aunque existen distintos tipos y variantes. La estructura de las bombas centrífugas es análoga a la de las turbinas hidráulicas, salvo que el proceso energético es inverso; en las turbinas se aprovecha la altura de un salto hidráulico para generar una velocidad de rotación en la rueda, mientras que en las

5

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

bombas centrífugas la velocidad comunicada por el rodete al líquido se transforma, en parte, en presión, lográndose así su desplazamiento y posterior elevación. 3.2 Principios de una bomba hidráulica.a) Bomba centrífuga Bomba que aprovecha el movimiento de rotación de una rueda con paletas (rodete) inserida en el cuerpo de la bomba misma. El rodete, alcanzando alta velocidad, proyecta hacia afuera el agua anteriormente aspirada gracias a la fuerza centrífuga que desarrolla, encanalando el líquido en el cuerpo fijo y luego en el tubo de envío.

b) Caudal Cantidad de líquido (en volumen o en peso) que se debe bombear, trasladar o elevar en un cierto intervalo de tiempo por una bomba: normalmente expresada en litros por segundo (l/s), litros por minuto (l/m) o metros cúbicos por hora (m³/h). Símbolo: Q. c) Altura de elevación Altura de elevación de un líquido: el bombeo sobreentiende la elevación de un líquido de un nivel más bajo a un nivel más alto. Expresado en metros de columna de líquido o en bar (presión). En este último caso el líquido bombeado no supera ningún desnivel, sino que va erogado exclusivamente a nivel del suelo a una presión determinada. Símbolo: H. d) Curva de prestaciones. Especial ilustración gráfica que explica las prestaciones de la bomba: el diagrama representa la curva formada por los valores de caudal y de altura de elevación, indicados con referencia a un determinado tipo de rodete diámetro y a un modelo específico de bomba. e) Bajo nivel Especial instalación de la bomba, colocada a un nivel inferior al de la vena de la cual se extrae el agua: de esta manera, el agua entra espontáneamente en la bomba sin ninguna dificultad. f) Cebado Llenado de la bomba o de la tubería para quitar el aire presente en ellas. En algunos casos, se pueden suministrar, también, bombas auto cebadas, o sea, dotadas de un mecanismo automático que facilita el cebado y por lo tanto la puesta en marcha de la bomba, lo cual sería imposible de otra manera, y además muy lento. 6

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

g) Cavitación Fenómeno causado por una inestabilidad en el flujo de la corriente. La cavitación se manifiesta con la formación de cavidad en el líquido bombeado y está acompañada por vibraciones ruidosas, reducción del caudal y, en menor medida, del rendimiento de la bomba. Se provoca por el pasaje rápido de pequeñas burbujas de vapor a través de la bomba: su colapso genera micro chorros que pueden causar graves daños. h) Pérdidas de carga Pérdidas de energía debidas a la fricción del líquido contra las paredes de la tubería, proporcionales al largo de éstas. También son proporcionales al cuadrado de la velocidad de deslizamiento y variabilidad en relación con la naturaleza del líquido bombeado. Cada vez que disminuye el deslizamiento normal del fluido movido representa una posibilidad de pérdidas de carga como los bruscos cambios de dirección o de sección de las tuberías. Para lograr en la bomba un correcto dimensionamiento, la suma de tales pérdidas se debe agregar a la altura de elevación prevista originariamente. i)

Sello mecánico

Sello mecánico para ejes rodantes. Usado en todos los casos en que no se puede permitir goteo alguno externo de líquido. Está compuesto por dos anillos con superficie plana, una fija y otra rodante: las dos caras están prensadas juntas de manera que dejan sólo una finísima película hidrodinámica formada por líquido que se retiene para que funcione como lubricante de las partes que se deslizan. j) Viscosidad Se trata de una característica del fluido bombeado: representa su capacidad de oponerse al desplazamiento. La viscosidad varía según la temperatura. k) Peso específico Cada fluido tiene una densidad característica. El agua, que se usa como término de comparación, convencionalmente tiene un peso específico (o densidad) de 1 (a 4°C y a nivel del mar). El peso específico representa el valor usado para comparar el peso de un cierto volumen de líquido con el peso de la misma cantidad de agua.

7

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

3.3 Partes de una bomba centrífuga.-

Tabla 3.1

Fig. 3.2 Partes constitutivas de una bomba centrífuga.

3.4 Triángulos de velocidades, alturas y par motor en las bombas centrífugas. El órgano principal de una bomba centrífuga es el rodete que, en la Fig. 3.3, se puede ver con los álabes dispuestos según una sección perpendicular al eje de la bomba; el líquido llega a la entrada del rodete en dirección normal al plano de la figura, (dirección axial), y cambia a dirección radial recorriendo el espacio o canal delimitado entre los álabes. 8

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

El líquido queda sometido a una velocidad relativa

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

a su paso por el espacio entre álabes

entre la entrada y la salida, y a una velocidad de arrastre u debida a la rotación del rodete alrededor del eje. La suma vectorial de estas velocidades proporciona la velocidad absoluta .

Fig. 3.3 Triangulo de velocidades de una bomba centrífuga. Si llamamos por un par de álabes,

a la velocidad relativa del líquido a la entrada en la cámara delimitada a la velocidad tangencial, y

a la velocidad absoluta, se obtiene el

triángulo de velocidades a la entrada.

A la salida del rodete se tiene otro triángulo de velocidades determinado por las siguientes velocidades y ángulos:

Si se designa por H el desnivel o altura geométrica existente entre los niveles mínimo y máximo del líquido, por Ha la altura o nivel de aspiración, (altura existente entre el eje de la bomba y el nivel inferior del líquido), y por Hi la altura de impulsión, (altura existente entre el eje del rodete y el nivel superior del líquido), se tiene que: 9

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

H  H a  H i …….. (3.1) Para el caso del agua, la altura teórica de aspiración para un nº infinito de álabes (teoría unidimensional), trabajando la bomba en condiciones ideales, sería la equivalente a la columna de agua correspondiente a la presión a que se encontrase el nivel inferior; si éste está sometido únicamente a la presión atmosférica, la altura teórica de aspiración sería de 10,33 metros; sin embargo, esta altura es siempre menor, pues hay que tener en cuenta: - Las pérdidas de carga en la tubería - El rozamiento a la entrada del rodete - La temperatura del líquido a elevar - El fenómeno de la cavitación Por lo que el límite máximo para la altura de aspiración se puede fijar entre 5 y 7 metros.

Fig. 3.4 Alturas a considerar en una instalación con bomba centrífuga. 2

El Bernoulli de impulsión es:

cS p  S  z S …….. (3.2) 2g  2

c p El Bernoulli de aspiración es: E  E  z E …….. (3.3) 2g  Las alturas a considerar, aparte de la geométrica ya definida, son: Ht = Altura total creada por la bomba Hm = Altura manométrica de la bomba Las pérdidas de carga que pueden aparecer en la instalación, (bomba y tuberías), son: 10

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

i = Pérdidas de carga internas de la bomba = roz + choque = Pérdidas en el rodete (hr) + +Pérdidas en la directriz (si la tiene) (hcd) + Pérdidas en la voluta (hv)

e = Pérdidas de carga en las tuberías de aspiración e impulsión por lo que: …….. (3.4)

El rendimiento manométrico se define en la forma:  man 

Hm ……… (3.5) Ht

La altura manométrica creada por la bomba tiene por expresión:

c 2 p  c 2 p  H m   S  S  z S    E  E  z E  ……… (3.6)     2g   2g Altura dinámica creada en el rodete:

c  cE Hd  S 2g 2

2

……… (3.7)

Altura de presión creada en el rodete:

Hp 

pS  pE



……… (3.8)

Par motor.- Aplicando el Segundo Teorema de Euler, que dice que el incremento del momento de la cantidad de movimiento del líquido contenido entre los álabes, con relación al eje de giro O, tiene que ser igual al momento con relación a dicho eje O, de las fuerzas ejercidas por los álabes sobre el líquido:

M 

 Q g

 (c2  r2  cos  2  c1  r1  cos  1 ) ……… (3.9)

Potencia.- Si N es la potencia aplicada por el motor al eje de la bomba, se puede poner en función del par motor M y de la velocidad angular w de la bomba, en la forma:

N  M  

 Q g

   (c2  r2  cos  2  c1  r1  cos  1 ) ……… (3.10)

11

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

3.5 Curvas características de las bombas centrífugas. La curva característica de una bomba centrífuga es una ecuación de la forma Hm = f(q) que relaciona el caudal con la altura manométrica, Fig. 3.5. La relación entre la altura manométrica y la total es: H m = Ht - Δi = A - B q – Δi……… (3.11) Por lo que si a la altura total, para cada caudal q, se la resta las pérdidas de carga interiores Δi se obtienen las alturas manométricas relativas a cada uno de los caudales q. Las pérdidas de carga internas de la bomba Δi son de dos tipos: a) Las debidas al rozamiento del líquido, que son proporcionales al caudal circulante q: …….. (3.12)

donde k es una constante de rozamiento que depende de las dimensiones del rodete, del estado superficial de los álabes y de la voluta, etc.

b) Las debidas a las componentes de choque que se producen cuando el caudal que circula q es diferente del caudal de diseño qt de la forma, Fig. 3.5: …….. (3.13)

Se observa que para (q = qt) son nulas, siendo k* una constante que depende de las dimensiones del rodete, voluta, etc. En consecuencia las pérdidas de carga internas de la bomba son: …….. (3.14)

…….. (3.15)

Las pérdidas Δi tienen un valor mínimo para un caudal qr distinto del qt en la forma: …….. (3.16)

12

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

…….. (3.17)

Si se representan las pérdidas de carga internas de la bomba Δi en función de los caudales q, se observa que el punto B, Fig. 3.5, se corresponde con el caudal nominal o de diseño qt mientras que el punto C representa el mínimo de pérdidas de carga internas Δi al que corresponde un caudal qr. De todo lo visto, la ecuación de la curva característica es: …….. (3.18)

…….. (3.19)

y, por lo tanto, su representación gráfica se obtiene restando de la altura total Ht las pérdidas internas para cada caudal q. Hay que tener presente que para (q = 0) las pérdidas de carga internas Δi no son nulas, pues aunque la tubería de impulsión esté cerrada (caudal nulo) los álabes seguirán girando y en consecuencia produciendo rozamientos que implican pérdidas de carga.

Fig. 3.5 Pérdidas en una bomba centrífuga.

13

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

Fig. 3.6 Curvas características teórica y real de una bomba centrífuga y pérdidas correspondientes.

Fig. 3.7 Curvas características ideales de potencia hidráulica. 14

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

Fig. 3.8 Curvas características ideales de potencia.

Fig. 3.9 diagrama de distribución de energías..

15

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

4. METODOLOGIA.El presente laboratorio fue realizado, en el Laboratorio de Maquinas Hidráulicas y Neumáticas sobre las bombas centrífugas y sus curvas características, en fecha 18 de marzo de 2011 de horas 14:30 a 16:00. 4.1 Equipo, material e instrumentos.-

 Bomba centrifuga.  Banco de pruebas del laboratorio.

4.2.1

Fichas Técnicas

BOMBA Datos Generales Modelo : ICH 200 H Tipo : Centrífugo Marca : CITY – PUMBS Industria : Italiana Color : Turquesa Q= 50–300 [l/min] H= 32–19 [m] Hmax= 33 [m] Hmin= 19 [m] Elementos del sistema Motor Eléctrico Color : Turquesa Industria : Italiana Fig. 4.1Motor y bomba V= 220–230 Hz= 50 2900 min-1 1,5 [kW] 2[Hp] In= 10 [A] 2200 [Wmax] Tabla 4.1 Ficha técnica Bomba. MANÓMETRO Y VACUÓMETRO DIGITAL Descripción General Marca : COLE-PÁRMER Industria : Brasilera Color : Negro Modelo : 686 19-00 Características Unidades : bar Alcance :Min. -1,0.34 Max. 6.895 Sensibilidad : 0.001 Incertidumbre : ±0.001

Fig. 4.2 Manómetro digital Tabla 4.2 Ficha técnica Manómetro Digital.

16

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

MEDIDOR VOLUMÉTRICO Descripción General Marca : H2OLÉ! Norma : ISO 4064 Qn : 3.5 [m3/s] Características Temp. de Operación: 30 ºC Alcance :Min. 0 Max. Sensibilidad : 0.0001 Fig. 4.3Medidor Volumétrico Incertidumbre : ±0.00005 Tabla 4.3 Ficha técnica Medidor Volumétrico. CONVERTIDOR DE FRECUENCIA Descripción General Marca : ABB Modelo : ACS ISO Color : Blanco Características Unidades : Hz Alcance : Min. 48 Max. 63 IP20 / UL open type Potencia : 1,5 [KW] (2 Hp) V1 : 1≈200…240 Fig. 4.4Convertidor de frecuencia I1 : 16,8 [A] V2 : 3 – 0 [V] TÉRMICO Kawamura I2 : 7,7 [A] Modelo KWK – 472P F2 : 0 … 500 Hz Tensión 230 / 400 V Frecuencia 50 / 60 Hz Para el Instrumento Sensibilidad : 0.1 Sensibilidad 0.1 Incertidumbre : ± 0.1 Incertidumbre ±0.1 Tabla 4.4 Ficha técnica convertidor de frecuencia. TACÓMETRO DIGITAL Descripción General Marca : TESTO Modelo : 479 Color : Plomo y Negro Características Unidades : rpm Sensibilidad : 0.001 Incertidumbre : ±0.001 Fig. 4.5 Tacómetro digital Tabla 4.5 Ficha técnica Tacómetro digital.

17

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

4.2 MONTAJE DEL EQUIPO.

 Bomba centrífuga.  Válvula de ¼ de giro.  Medidor volumétrico.  Convertidor de frecuencia.  Manómetro y vacuómetro digital.

Fig. 4.6 Montaje del Equipo 4.3 PROCEDIMIENTO.  Se hace una explicación del tema y del banco de pruebas para todo el grupo conformado para realizar la experiencia.  Se indican las consideraciones y características generales de cada uno de los instrumentos de medición, además de tomar sus datos para realizar sus respectivas fichas.  Cuando montamos los instrumentos de medición y revisamos que exista un correcto ensamblaje, revisamos el rodete. Luego ponemos en marcha el banco de pruebas y tomamos los datos en el orden en que se sugiere en la siguiente tabla de registro de datos. 18

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

4.4 OBTENCIÓN Y REGISTRO DE DATOS.

Después de la experiencia obtenemos los siguientes datos:

ÁNGULO

PRESIÓN DE ENTRADA

PRESIÓN DE SALIDA

VOLUMEN INICIAL

α

Pe [bar]

Ps [bar]

Vol. I [m^3]

Vol. F [m^3]

n [rpm]

1

0

-0,300

1,780

280,00

300,00

2582,00

2

10

-0,304

1,811

430,00

450,00

2583,00

3

20

-0,298

1,856

550,00

570,00

1583,00

4

30

-0,262

1,918

610,00

630,00

2588,00

5

40

-0,203

2,085

660,00

680,00

2595,00

6

50

-0,135

2,360

700,00

720,00

2604,00

7

60

-0,064

2,550

750,00

770,00

2620,00

8

70

-0,049

2,588

775,00

780,00

2630,00

9

80

-0,067

2,652

0,00

0,00

2638,00

10

70

-0,053

2,578

800,00

805,00

2630,00

11

60

-0,045

2,551

820,00

830,00

2617,00

12

50

-0,139

2,246

895,00

900,00

2608,00

13

40

-0,196

2,200

930,00

950,00

2594,00

14

30

-0,256

1,976

980,00

1000,00

2584,00

15

20

-0,288

1,840

1060,00

1080,00

2578,00

16

10

-0,318

1,790

1120,00

1140,00

2576,00

17

0

-0,330 1,782 1190,00 1210,00 Tabla No. 4.6 Registro de datos.

2873,00

No.

VOLUMEN VELOCIDAD FINAL DEL ROTOR

Además sabemos estos otros datos como constantes para que nos sirvan de ayuda al realizar los cálculos: DESCRIPCIÓN

SIMB. CANTIDAD

UNIDAD

Frecuencia

f

45.00

Hz

Densidad del agua

ρ

1000,00

kg/m^3

Gravedad

g

9,76

m/sg^2

Diámetro tubería

D

0,051

m

Área tubería

A

0,00204

m/sg^2

Viscosidad Agua μ 0,01 Poise Tabla No. 4.7 Constantes utilizadas.

19

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

4.5 CÁLCULOS.

Procesamos los datos del experimento para poder calcular:

a) Altura útil de la bomba: Con ayuda de un ejemplo mostramos lo que hace en el programa Excel.

-

Primero hallamos el caudal: Pe  0.300bar

  1000

kg 3

m

Ps  1.780bar

g 1  9.76

3

Ve  280m

m s

2

3

Vs  300m

t  8.70s

Q 

Vs  Ve

3

Q  2.299

t

m s

Para la altura en la bomba tenemos: Hu 

Ps  Pe  g 1

Hu  21.311m

b) Potencia útil de la bomba:

Nu  Hu Q  g1

Nu  478.161 kW

Haciendo un cálculo en la hoja de Excel con estos mismos valores obtenemos la altura y la potencia de la bomba en cada punto para poder graficar los mismos a continuación.

20

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

4.6 PROCESAMIENTO DE DATOS. ALTURA ÚTIL DE POTENCIA ÚTIL CAUDAL LA BOMBA DE LA BOMBA No. Q[m^3/sg]

Hu[m.c.a]

Nu[kW]

1

2,30

21,31148

478,16

2

2,30

21,67008

486,21

3

2,35

22,06967

506,82

4

2,27

22,33607

495,45

5

1,94

23,44262

444,27

6

1,49

25,56352

372,39

7

1,71

26,78279

446,84

8

0,46

27,01844

120,96

9

0,00

27,85861

0,00

10

0,39

26,95697

101,98

11

0,87

26,59836

225,74

12

0,55

24,43648

131,04

13

1,72

24,54918

413,10

14

2,08

22,86885

465,00

15

2,35

21,80328

500,71

16

2,44

21,59836

514,15

17

2,50 21,63934 528,00 Tabla No. 4.8 Procesamiento de datos.

Una vez procesada la hoja de cálculo graficamos los resultados obtenidos, haciendo notar que para cada caso se trazan dos gráficas, la primera con los datos hasta que la válvula se cierra por completo y la segunda con la nueva apertura de la válvula hasta llegar a un ángulo igual a cero.

ALTURA vs. CAUDAL 30.00000

Altura [m.c.a.]

25.00000 20.00000 15.00000 Series1

10.00000 5.00000 0.00000 0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

Caudal [m^3/sg]

Fig. 4.7 Gráfica Altura vs. Caudal hasta cerrar la válvula completamente. 21

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

ALTURA vs. CAUDAL (completo) 30.00000

altura [m.c.a]

25.00000 20.00000 15.00000 Series1

10.00000 5.00000 0.00000 0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

Caudal [m^3/sg]

Fig. 4.8 Gráfica Altura vs. Caudal Completa, hasta cerrar la válvula y volver a abrirla.

POTENCIA vs. CAUDAL 600.00

POTENCIA [kW]

500.00 400.00 300.00 Series1

200.00 100.00 0.00 0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

CAUDAL [m^3/sg]

Fig. 4.9 Gráfica Potencia vs. Caudal hasta cerrar la válvula completamente.

22

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

POTENCIA vs. CAUDAL (completo) 600.00

POTENCIA [kW]

500.00 400.00

300.00 Series1 200.00 100.00 0.00 0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

CAUDAL [m^3/sg]

Fig. 4.10 Gráfica Altura vs. Caudal Completa, hasta cerrar la válvula y volver a abrirla.

5. CUESTIONARIO.

-

¿Cuáles son las características principales de un rodete?

El rodete es un tipo de rotor situado dentro de una tubería o un conducto y encargado de impulsar un fluido. Generalmente se utiliza este término para referirse al elemento móvil de una bomba centrífuga, pero en ocasiones también se utiliza para referirse al elemento móvil de turbinas y ventiladores. Consiste en un disco perpendicular al eje de giro, compuesto por álabes curvados en dirección contraria al movimiento. Según los esfuerzos que deba soportar y la agresividad del medio que deba

impulsar,

el

rodete

puede

estar

hecho

de

aleación

metálica,

como

por

ejemplo acero o aluminio, o de algún polímero, como por ejemplo poliamida. El fluido entra por el centro u ojo del rodete y es arrastrado por los álabes en dirección radial, saliendo a la voluta y de ahí, hacia las tubuladuras de salida en las bombas monoetapa, o es recogido por el siguiente rodete en las bombas multietapa, que consisten en varios rodetes colocados en serie. La geometría del rodete es de vital importancia para conseguir un rendimiento hidráulico elevado. 23

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

Las características principales de un rodete son: El diámetro exterior D2 y el ángulo de salida β2, ya que estos dos parámetros fundamentales determinarán la cantidad de caudal que impulsará la bomba y la velocidad de la bomba [rpm]. El órgano principal de una bomba centrífuga es el rodete que se puede con los álabes dispuestos según una sección perpendicular al eje de la bomba; el líquido llega a la entrada del rodete en dirección normal al plano de la figura (dirección axial) y cambia a dirección radial recorriendo el espacio o canal delimitado entre los álabes.

-

Analice el modelo matemático de una bomba centrífuga y explique el significado físico de sus coeficientes. HE = K1-K2 Q-K3 Q2

Para realizar los cálculos en este punto primero asumimos algunas constantes y coeficientes que nos serán útiles: D1  0.025m

D1  1in



A 1  v 

4

2

 D1

Q

m

3m

v  4.537  10

A1

  0.01poise

Re1 

4 2

A1  5.067  10

v   D1 

3

  1  10

s

s Pa 8

Re1  1.152  10

f : factor de fricción, en la zona de turbulencia completa para tubería de acero comercial nueva y limpia, Robert Mott, tabla 10.5 f  0.023

24

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

Luego hallamos las pérdidas del sistema: 2

h pp

f

L v  D 2 g

h ps

k

v

2

2 g

Leq  1.9494m

Con esto primero encontramos las pérdidas primarias:

h pp  f 

Leq



v

2

6

hpp  1.861  10 m

D1 2 g 1

Ahora las pérdidas secundarias: kval  f  340

kval  7.82

kcodL  f  20

kcodL  0.46

kcodC  f  30

kcodC  0.69

k  kval 2  kcodL 6  kcodC 2

k  19.78

h ps  k 

v

2

7

hps  2.086  10 m

2 g 1

Tabulando para todos los datos obtenemos:

REYNOLDS

FACTOR DE LONGITUD FRICCIÓN EQUIVALENTE

PÉRDIDAS PRIMARIAS

COEFICIENTE DE RESISTENCIA

PÉRDIDAS SECUNDARIAS

PÉRDIDAS TOTALES

Re

f

Leq [m]

hpp [m]

k

hpg [m]

hpt [m]

115235457,27

0,023

1,9494

1861315,927

19,780

20856973,996

22718289,923

115235457,27

0,023

1,9494

1861315,927

19,780

20856973,996

22718289,923

117946879,79

0,023

1,9494

1949937,751

19,780

21850025,768

23799963,519

113925963,44

0,023

1,9494

1819253,648

19,780

20385645,167

22204898,815

97334803,71

0,023

1,9494

1327957,418

19,780

14880425,693

16208383,111

74817050,61

0,023

1,9494

784601,261

19,780

8791848,751

9576450,013

85687904,12

0,023

1,9494

1029169,424

19,780

11532357,088

12561526,512

22994231,15

0,023

1,9494

74111,503

19,780

830456,381

904567,884

0,00

0,023

1,9494

0,000

19,780

0,000

0,000 25

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

19429234,07

0,023

1,9494

52912,611

19,780

592912,220

645824,832

43589064,27

0,023

1,9494

266319,475

19,780

2984242,650

3250562,125

27542540,61

0,023

1,9494

106330,004

19,780

1191480,771

1297810,775

86426592,95

0,023

1,9494

1046990,209

19,780

11732047,873

12779038,082

104432133,15

0,023

1,9494

1528678,413

19,780

17129604,620

18658283,032

117946879,79

0,023

1,9494

1949937,751

19,780

21850025,768

23799963,519

122262009,54

0,023

1,9494

2095226,093

19,780

23478054,161

25573280,254

125318559,78

0,023

1,9494 2201296,914 19,780 24666630,652 Tabla No. 5.1 Resultados tabulados para el cuestionario.

26867927,567

PÉRDIDAS TOTALES vs. CAUDAL 30000000.000

Pérdidas Totales [m]

25000000.000 20000000.000 15000000.000 Series1

10000000.000 5000000.000 0.000 0.00 -5000000.000

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

CAUDAL [m^3/sg]

26

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

PÉRDIDAS TOTALES vs. CAUDAL (Completo) 30000000.000

Pérdidas Totales [m]

25000000.000 20000000.000 15000000.000 Series1

10000000.000 5000000.000 0.000 -5000000.000

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

CAUDAL [m^3/sg]

30000000.00000 25000000.00000 20000000.00000 15000000.00000 Series1 Series2

10000000.00000 5000000.00000 0.00000 0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

-5000000.00000

6. DISCUSIÓN E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS. Una vez tabulados los datos y hacer los cálculos correspondientes observamos en las gráficas que el comportamiento del flujo se acerca a lo estudiado en la materia, pero hay algunos errores que se ven, esto puede ser porque el banco de pruebas fue reacondicionado o el momento de tomar los datos existió algún error de lectura, a pesar de eso presentamos 2 tipos de gráficas, una en la mostramos el comportamiento desde que la válvula está en grado cero hasta llegar a 27

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

los 80 grados, y en la segunda gráfica insertamos los datos desde cero grados hasta los 80 grados y viceversa, es decir, que retornamos hasta el grado cero nuevamente, esto para ambos casos, para la gráfica de la altura de la bomba versus el caudal y también para la potencia de la bomba versus el caudal. Solo se calcula hasta los ochenta grados y no hasta los noventa porque en la experiencia podemos observar que al llegar al ángulo 80 el cierre de la válvula es completo, ya que no se observa en el medidor de flujo que pase el flujo de agua, es decir, que no advertimos un incremento de volumen. En la parte del cuestionario, también realizamos un cálculo para poder graficar las pérdidas totales, para esto investigamos los diferentes coeficientes de rozamiento y factores de fricción para las tuberías y para los codos y accesorios, también observamos que en todos los puntos el flujo será turbulento, por otro lado la gráfica presentada en este punto nos muestra la intersección de dos estados, la altura y las pérdidas totales versus el caudal. Por último vemos que las velocidades tomadas en el rotor no nos sirven para realizar ningún cálculo solo para ver que a pesar de programar una frecuencia la velocidad tiene una variación respecto al ángulo de apertura de la válvula.

7. CONCLUSIONES. Una vez terminada la experiencia podemos aportar las siguientes conclusiones, al momento de arrancar el banco de pruebas podemos observar que lo más importante es verificar que este se encuentre en buen estado, observar bien que el rodete funcione correctamente, como ahora no es el caso debemos hacer partir el mismo con ayuda del profesor, también se puede observar que las tuberías tienen cierta carga eléctrica que en términos comunes se conocen como que te patea la corriente, esto debido a algún mal ensamblaje entre la parte eléctrica y la parte mecánica. Los resultados obtenidos están en el margen de lo coherente, ya que al representar sus respectivas gráficas se puede observar las curvas características que producen las bombas centrífugas y estás son bastantes parecidas a las curvas que aparecen en los catálogos y en los textos de aprendizaje. Se aprendió claramente que la potencia de una bomba no tiene nada que ver con la altura o la potencia entregada sino que esta se puede determinar por el diámetro de entrada y de salida a loa bomba, en nuestro caso la entrada será de una pulgada y media y la salida de una pulgada. El cálculo en experiencias reales como ahora es el caso hacen que el aprendizaje sea más sencillo de retener, los conceptos que se necesitarán en el futuro se captan y se quedan en nuestra mente porque el método experimental crea un mayor interés dentro de los estudiantes.

28

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA-ELECTROMECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INFORME DE LABORATORIO No. 1 25 DE MARZO DE 2011

8. BIBLIOGRAFÍA. - Claudio Mataix, MAQUINAS HIDRAULICAS segunda edición -

Encinas Polo, TURBO MAQUINAS

-

V.L. Streeter , E. Benjamín Wyle, MECANICA DE FLUIDOS.

29