PRÁCTICA: BANCO DE ENSAYO DE BOMBAS
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Descripción del equipo y esquema de la instalación La instalación en la que se lleva a cabo esta práctica es un banco de ensayos preparado para fines docentes, que está integrado fundamentalmente por una instalación hidráulica con dos bombas centrífugas que recircularán el agua de un depósito, situado en el bast idor, a través de la instalación. Dichas bombas podrán trabajar: de forma independiente, en seri e o en paralelo La instalación consta con un equipo de adquisición de datos.
1. Depósito de reserva P1: bomba 1 P2: bomba 2 V2 y V3: válvulas esféricas F: caudalímetro magnético-inductivo V5: grifo de purga V6 y V7: válvulas de retención de pie con filtro
Área de Máquinas y Motores Térmicos
Prácticas de Laboratorio
Objetivos. Los objetivos de esta práctica son: 1. 2. 3. 4. 5.
Determinar la curva motriz de cada una de las bombas Determinar la curva resistente de la instalación Determinar el punto de operación de la instalación. Determinar la curva motriz de las dos bombas conectadas en serie Determinar la curva motriz de las dos bombas conectadas en paralelo
Introducción teórica. La curva motriz de una bomba relaciona la energía útil entregada por la bomba al fluido, H hb,u , y el caudal que impulsa la bomba. Para determinar estas variables se emplean las siguientes ecuaciones: P1 1 g
1
V12 2g
z1 hb,u
P2 2 g
2
V 22 2g
z2 ht , e hL
Wb,u gVhb ,u donde W b u ,
hb u ,
(2.1)
(2.2)
es la energía útil en forma de altura que aporta la bomba al fluido medida en m, y
es la potencia útil entregada por la bomba al fluido.
Además la potencia mecánica determina la potencia en el eje de la bomba y se calcula:
Wmec 2
M n
(2.3)
Y por último la potencia eléctrica de la bomba que determina el consumo eléctrico del motor. Los rendimientos de funcionamiento de la bomba serán: Rendimiento eléctrico
elec
Rendimiento mecánico
mec
W mec W elec
W b,u W mec
El rendimiento total de una bomba se mide con el cociente entre la potencia útil entregada por la bomba al fluido y la potencia eléctrica consumida por el motor eléctrico:
bomba motor
W b,u W elect
(2.5)
La curva resistente de una instalación representa la energía requerida por el fluido para circular por la instalación venciendo las pérdidas de carga mayores y menores del circuito.
La determinación de las pérdidas de carga mayores en tuberías se realiza empleando las ecuaciones: V
V
(2.3)
S
Re
V D
(2.4)
h L, mayor f
L V 2
D 2 g
(2.5)
Para las pérdidas menores en los accesorios de la instalación se emplea la ecuación: h L, menor K L
V 2 2 g
(2.6)
Una vez obtenidas la curva motriz de una bomba H motriz H (V ) y la curva resistente de una instalación H resistente H (V ) se obtiene el punto de operación de la instalación en el punto de corte de ambas curvas. Para bombas conectadas en serie, la altura total que proporcionan dos bombas conectadas en serie será: H t H i Para bombas conectadas en paralelo, el caudal obtenido para n bombas en paralelo será:
Vt Elementos que componen la instalación
V i
1.Transductor de fuerza 2. Motores eléctricos 3.Tapa de acoplamiento del sensor de velocidad 4.Medidor del flujo volumétrico 5.Bombas centrífugas (P1 posterior, P2 frontal) 6.Válvulas de bola de la presión lateral (V2 y V3) 7.Sensores de presión lateral (P2 y P4) 8.Sensor de presión de succión de la cañería (P1 y P3) 9.Cierre de la válvula de flujo de retorno (V4) 10.Válvulas de bola para conexión en serie 11.Display y elementos de control 12.Bloqueo de ruedas 13.Cajón 14.Válvula de drenaje 15.Tanque 16.Marco de tubos cuadrados (Diámetro de la tubería de aspiración: 50 mm Diámetro de la tubería de impulsión: 32 mm) Método experimental . A continuación se detallan los pasos a seguir para resolver la práctica. Todos los cálculos y resultados se entregarán en u n único archivo del programa EES. 1. Obtención de la curva motriz de la bomba 1 (Tabla 1) Para obtener la curva característica de la BOMBA 1, se tomarán datos de presión y caudal para reconstruir la curva desde el punto de válvula cer rada hasta el punto de válvula abierta. Antes de arrancar la bomba, se realizarán las siguientes comprobaciones: a. Válvula esférica 1: cerrada b. Válvula esférica 2: abierta c. Válvula esférica 3: cerrada d. Válvula 4 abierta e. Nivel de agua suficiente en el depósito 1. Se conectará la bomba y se arrancará suavemente aumentando el número de rpm. Se esperará hasta que se estabilice el caudal. Se fijará un número de revoluciones por minuto inicial para empezar a medir (ver tabla 1). Toma de datos a. Se tomará el valor del caudal (en principio con válvula V4 cerrada V 0 ) en m3/h y se anotará en la tabla 1. b. Se anotará el valor de la presión de los manómetros digitales P1 y P2, el par motor y la potencia eléctrica consumida. c. La válvula V4 se irá abriendo para modificar el caudal. Se tomarán datos de medida en al menos 6 caudales distintos. Los anteriores apartados se realizarán para 5 valores de rpm distintos. Los datos obtenidos se llevarán a una tabla paramétri ca en el EES y se realizarán los cálculos necesarios de: altura de bomba, potencia y rendimiento ( ver introducción teórica). Se representarán gráficamente los datos obtenidos y se ajustarán a una expresión del tipo H motriz a b *V 2
Se obtendrán las curvas características de la bomba trabajando a distintas rpm. Las curvas deberán ser representadas en un archivo del programa EES. Añadir en la ventana de diagramas del archivo EES e l diagrama de energía de la bomba.
2. Obtención de la curva motriz de la bomba 2 (Tabla 2) Para realizar el ensayo se tiene que abrir la llave esférica 3 y cerrar la llave 2. Los valores de medición a registrar son entonces las presiones P3 y P4. Se repetirán los pasos descritos para la bomba 1, en el apartado anterior. 3. Obtención de la curva resistente de la instalación. (Tabla 3) La curva característica de la instalación se puede registrar con ambas bombas. Para realizar el ensayo con la bomba 1, las válvulas han de estar en las siguientes posiciones: Llave esférica 1: cerrada Llave esférica 2: abierta Llave esférica 3: cerrada Válvula de compuerta 4: mantener abierta Se irán variando el número de rpm desde 400 hasta 2750 rpm. Para cada valor de rpm dado se tomarán los datos indicados en la tabla 3. Mediante el programa EES construir una tabla paramétrica y variar el caudal para construir la curva resistente, determinando para cada caudal la altura necesaria, H, en m. Ajustar la curva resistente resultante a una expresión del tipo H resistente c d *V 2
Representar las gráficas en la misma ventana de gráficos que las curvas características de las bombas.
4. Obtención del punto de operación de la instalación. Representar la gráfica de la curva motriz ajustada de la bomba, H motriz a b *V 2
Representar la gráfica de la curva resistente de la instalación, H resistente c d *V 2 Encontrar el punto de corte resolviendo el sistema de ecuaci ones. Obtener el punto de operación y las condiciones de altura y caudal que hay en la instalación. Comparar el punto de corte entre la curva de la instalación y los dos gráficos de las bombas (el obtenido a partir de los datos de la tabla y el de la curva ajustada)
5. Obtención de la curva resistente para la conexión en ser ie (Tabla 4) Al comienzo del ensayo arrancar las bombas, los números de revoluciones de ambas bombas se ajustan al valor constante de 2750 rpm. Durante el ensayo el caudal se estrangula con la válvula V4. Posición de las válvulas: Válvula esférica 1: abierta Válvula esférica 2: cerrada Válvula esférica 3: abierta Válvula de compuerta 4: abierta Toma de datos, se tomarán los valores de medida de presión P1 y P4 para cada cauda ajustado (ver tabla 4).
6. Obtención de la curva resistente para la conexión en paralelo (Tabla 5) Al comienzo del ensayo, los números de revoluciones de ambas bombas se ajustan al valor constante de 2750 rpm. Durante el ensayo el caudal se est rangula con la válvula 4. Posición de las válvulas: Llave esférica 1: cerrada Llave esférica 2: abierta Llave esférica 3: abierta Válvula de compuerta 4: abierta Los sensores de medida de presión serán P1/P3 y P2/P4. Se irán rellenando los datos de la tabla
5.
7. Obtención de resultados para la conexión en serie y paralelo
Llevar los datos obtenidos a una tabla paramétrica Representar la gráfica de la curva de las bombas en paralelo ajustada a H motriz a b *V 2
Representar la gráfica de la curva de las bombas en serie ajustada a H motriz a b *V 2
Representar sobre la misma gráfica la curva motriz de una de las bombas ( al mismo número de rpm que las empleadas para realizar los ensayos en serie y paralelo). Representar también sobre la misma gráfica la curva de la instalación calculada anteriormente.
TABLA 1: CURVA CARACTERÍSTICA DE LA BOMBA 1 n1 = 2750 rpm Experiencia
V 3
[m /h]
P 1
[bar]
P 2
[bar]
M
[Nm]
W elec
[W]
W b.u
[W]
W mec
η elec
[W]
[%]
W hid
η elec
ηmec
[%]
bomba motor
[%]
1 2 3 4 5 6 n2= 2500 rpm Experiencia
V
[m3/h]
P 1
[bar]
P 2
[bar]
M
[Nm]
W mech
[W]
W b.u
[W]
[W]
[%]
W hid
η elec
ηmec
[%]
bomba motor
[%]
1 2 3 4 5 6 n3= 2250 rpm Experiencia
V 3
[m /h]
P 1
[bar]
P 2
[bar]
M
[Nm]
W mech
[W]
1 2 3 4 5 6 n4= 2000 rpm
W b.u
[W]
[W]
[%]
ηmec
[%]
bomba motor
[%]
Experiencia
V
[m3/h]
P 1
[bar]
P 2
[bar]
M
[Nm]
W mech
[W]
W b.u
[W]
W hid
η elec
[W]
[%]
W hid
η elec
ηmec
[%]
bomba motor
[%]
1 2 3 4 5 6 n5= 1750 rpm Experiencia 1 2 3 4 5 6
V 3
[m /h]
P 1
[bar]
P 2
[bar]
M
[Nm]
W mech
[W]
W b.u
[W]
[W]
[%]
ηmec
[%]
bomba motor
[%]
TABLA 2: CURVA CARACTERÍSTICA DE LA BOMBA 2 n1 = 2750 rpm Experiencia
V 3
[m /h]
P 1
[bar]
P 2
[bar]
M
[Nm]
W elec
[W]
W b.u
[W]
W mec
η elec
[W]
[%]
W hid
η elec
ηmec
[%]
bomba motor
[%]
1 2 3 4 5 6 n2= 2500 rpm Experiencia
V
[m3/h]
P 1
[bar]
P 2
[bar]
M
[Nm]
W mech
[W]
W b.u
[W]
[W]
[%]
W hid
η elec
ηmec
[%]
bomba motor
[%]
1 2 3 4 5 6 n3= 2250 rpm Experiencia
V 3
[m /h]
P 1
[bar]
P 2
[bar]
M
[Nm]
W mech
[W]
1 2 3 4 5 6 n4= 2000 rpm
W b.u
[W]
[W]
[%]
ηmec
[%]
bomba motor
[%]
Experiencia
V
[m3/h]
P 1
[bar]
P 2
[bar]
M
[Nm]
W mech
[W]
W b.u
[W]
W hid
η elec
[W]
[%]
W hid
η elec
ηmec
[%]
bomba motor
[%]
1 2 3 4 5 6 n5= 1750 rpm Experiencia 1 2 3 4 5 6
V 3
[m /h]
P 1
[bar]
P 2
[bar]
M
[Nm]
W mech
[W]
W b.u
[W]
[W]
[%]
ηmec
[%]
bomba motor
[%]
TABLA 3: CURVA CARACTERÍSTICA DE LA INSTALACIÓN Experiencia
V
3
[m /h]
P 1
[bar]
P 2
[bar]
n
[rpm]
1 2 3 4 5 6 7 8
TABLA 4: CONEXIÓN EN SERIE Experiencia
V
3
[m /h]
P 1
[bar]
P 4
[bar]
H 1,4
[m]
1 2 3 4 5 6
TABLA 5: CONEXIÓN EN PARALELO Experiencia 1 2 3 4 5 6
V
3
[m /h]
P 1
[bar]
P 2
[bar]
P 3
[bar]
P 4
[bar]
H 1,2
[m]
Capítulo 1 y2
