INTRODUCCION La ingeniería se encarga del diseño de estaciones de bombeo, pero para esto se necesita saber principalmente que caudal se puede explotar, con este fin en el laboratorio se llevaron varios ensayos para diferentes tipos de aforo con el fin de encontrar el caudal que se desarrolla. Existen muchos tipos de bombas que varían según el uso que se les dará. En el siguiente reporte se investigó sobre los diferentes tipos de bombas más comunes y se indago sobre su funcionamiento y las diferentes variaciones que estas pueden tener. También se calculó el caudal por tres diferentes métodos de aforo.
OBJETIVOS Objetivo general
Comprender como se realizan diferentes tipos de aforos y como estos pueden variar
Objetivos específicos
Analizar cómo se llevan a cabo los cálculos para obtener un caudal realizando aforo volumétrico, de flujo vertical y de trayectoria.
Comprender los resultados que estos arrojan y porque varían.
Analizar las diferentes eficiencias de cada bomba.
DESARROLLO TIPOS DE BOMBAS
Bomba sumergible Una bomba sumergible es una bomba que tiene un impulsor sellado a la carcasa. El conjunto se sumerge en el líquido a bombear. La ventaja de este tipo de bomba es que puede proporcionar una fuerza de elevación significativa pues no depende de la presión de aire externa para hacer ascender el líquido. Un sistema de sellos mecánicos se utiliza para prevenir que el líquido que se bombea entre en el motor y cause un cortocircuito. La bomba se puede conectar con un tubo, manguera flexible o bajar abajo de los carriles o de los alambres de guía de modo que la bomba siente en "un acoplador del pie de los platos", de tal forma conectándola con la tubería de salida. Las bombas sumergibles encuentran muchas utilidades, las bombas de etapa simple se utilizan para el drenaje, el bombeo de aguas residuales, el bombeo industrial general y el bombeo de la mezcla. Las bombas sumergibles se colocan habitualmente en la parte inferior de los depósitos de combustible y también se utilizan para la extracción de agua de pozos de agua. Las bombas sumergibles también se utilizan en depósitos de combustible. Aumentando la presión en el fondo del depósito, se puede elevar el líquido más fácilmente que aspirándolo (succión) desde arriba. Los modelos más avanzados incluyen un separador de agua/aceite que permite reinyectar el en el yacimiento sin necesidad de subirla a la superficie. El sistema consiste en un número de rodetes giratorios instalados en serie para aumentar la presión. La energía para hacer girar la bomba proviene de una red eléctrica de baja tensión que acciona un motor especialmente diseñado para trabajar a temperaturas de hasta 150 pc. Se requiere atención especial al tipo de bomba sumergible utilizado cuando se usan ciertos tipos de líquidos. En la mayoría de las aplicaciones se utilizan motores
asíncronos de corriente alterna que accionan una bomba centrífuga radial, que puede ser de varias etapas conectadas en serie. Las bombas sumergibles pueden trabajar también con tubería de aspiración, colocando la bomba por encima del nivel del depósito. Sin embargo, para funcionar tienen que estar cebadas, esto es, con agua, de forma que la columna de agua comunique la bomba con el depósito. La tubería de aspiración no puede ser excesivamente alta para que no disminuya excesivamente la presión en la bomba y evitar la cavitación en la bomba. El líquido bombeado, a la circular alrededor del motor, también refrigera a éste. Para que los propósitos se refresquen. Además, si la bomba está situada fuera del depósito, existe la posibilidad de que se produzcan fugas de gasolina y pueda causar un incendio. Algunos tipos de bomba no están preparados para ciertas aplicaciones, como el bombeo de agua caliente o líquidos inflamables
Fig. 1 ilustración de una bomba sumergible y sus partes más importantes.
Bomba Centrifuga
La bomba centrífuga, también denominada bomba rotodinámica, es actualmente la máquina más utilizada para bombear líquidos en general. Las bombas centrífugas son siempre rotativas y son un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor en energía cinética o de presión de un fluido incompresible. El fluido entra por el centro del rodete o impulsor, que dispone de unos álabes para conducir el fluido, y por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba. Debido a la geometría del cuerpo, el fluido es conducido hacia las tuberías de salida o hacia el siguiente impulsor. Son máquinas basadas en la Ecuación de Euler. Las Bombas Centrífugas se pueden clasificar de diferentes maneras: • Por la dir ección del flujo en: radial, axial y mixto. • Por la posición del eje de rotación o flecha en: horizontales, verticales e inclinados. • Por el diseño de la coraza (forma) en: voluta y las de turbina. • Por el diseño de la mecánico coraza en: axialmente bipartidas y las radialmente bipartidas. • Por la forma de succión en: sencilla y doble.
Fig. 3: movimiento del fluido en bomba centrifuga horizontal
Constituyen no menos del 80% de la producción mundial de bombas, porque es más adecuada para mover más cantidad de líquido que la bomba de desplazamiento positivo. No hay válvulas en las bombas de tipo centrífugo; el flujo es uniforme y libre de impulsos de baja frecuencia. Los impulsores convencionales de bombas centrífugas se limitan a velocidades en el orden de 60 m/s (200 pie/s) Como anteriormente se ha mencionado, las bombas centrífugas están dotadas principalmente de un elemento móvil: el rotor, rodete, o impulsor. Es el elemento que transfiere la energía que proporciona el motor de accionamiento al fluido. Esto sólo se puede lograr por un intercambio de energía mecánica y, en consecuencia, el fluido aumenta su energía cinética y por ende su velocidad. Además, por el hecho de ser un elemento centrífugo, aparece un aumento de presión por el centrifugado que se lleva a cabo al circular el fluido desde el centro hasta la periferia. Una partícula que ingresa y toma contacto con las paletas en 1 comenzará a desplazarse, idealmente, contorneando la paleta (En realidad, esto sería estrictamente cierto si hubiera un número muy alto de paletas, más adelante se detalla que sucede cuando hay pocas) Como al mismo tiempo que se va separando del eje el impulsor rota, la partícula a cada instante aumenta su radio y se mueve en el sentido de la rotación (Anti horario en el ejemplo), por lo que su trayectoria, vista desde el exterior, resultará una espiral como la ilustrada en punteado, y saldrá luego por 2.
Fig. 3: Funcionamiento del impulsor en una bomba centrifuga
Tipos de aforos
Aforo Volumétrico
Es aplicable en la medición de pequeños caudales y se realiza midiendo el tiempo de llenado (t) de un recipiente de volumen conocido (V), donde se colecta la descarga, como se muestra en la Figura, determinando el caudal con la sig. ecuación:
=
Donde: Q es caudal, v es el volumen del recipiente llenado y t el tiempo en el que este se lleno
Aforo por el método de trayectoria
La descarga libre de una tubería horizontal o inclinada, fluyendo, llena o parcialmente llena, puede ser conocida aplicando el método de la trayectoria, basado en el principio físico de la caída libre de los cuerpos. Dicho principio establece que la proyección horizontal (x) del chorro es proporcional a la velocidad de salida (V) y al tiempo (t) que tarda el agua en alcanzar un punto definido sobre su trayectoria. En cambio, la proyección vertical (y) es el resultado de la aceleración que sufre el chorro en caída libre, por efecto de la gravedad. Despreciando la resistencia ofrecida por el aire, la velocidad de salida está dada por:
Donde el tiempo, expresado en función de la proyección vertical, será equivalente a:
y al sustituir esta expresión en la anterior, se llega a la siguiente ecuación para el cálculo de la velocidad de flujo que involucra las proyecciones x y y:
Luego, para conocer el caudal descargado (Q), se multiplica la velocidad de salida por el área transversal de la tubería, perpendicular a la dirección de flujo, siguiendo el procedimiento de cálculo indicado a continuación:
Aforo para Flujos Verticales
Si la corriente se puede desviar hacia una tubería de manera que descargue sometida a presión, el caudal se puede calcular a partir de mediciones del chorro. Si la tubería se puede colocar de manera que la descarga se efectúe verticalmente hacia arriba, la altura que alcanza el chorro por en cima del extremo de la tubería se
puede medir y el caudal se calcula a partir de una fórmula adecuada. Es asimismo posible efectuar estimaciones del caudal a partir de mediciones de la trayectoria desde tuberías horizontales o en pendiente y desde tuberías parcialmente llenas, pero los resultados son en este caso menos confiables.
Dónde: Q en metros cúbicos por segundo; D y H en metros. Si H < 0,4 D utilícese la ecuación (1)
Si H > 1,4 D utilícese la ecuación (2)
Si 0,4D < H < 1,4D calcúlense ambas ecuaciones y tómese la media.
Marco Practico: Realización de aforos con datos obtenidos en el laboratorio
Bomba centrifuga.
Aforo volumétrico: para un recipiente de 5 galones o 0.0189 metros cúbicos
Obtención de los datos:
Se toma el tiempo en el que se llena un recipiente de 5 galones para cada bomba. Medida No.
Tiempo(seg.)
Caudal (
1
39.24
0.127
2
39.55
0.126
3
39.71
0.126
4
39.72
0.125
5
39.51
0.127
Obteniendo un promedio el caudal será de 0.126
Aforo por el método de la trayectoria:
.
= (. ))
Obtención de los datos:
Se midieron las coordenadas X y Y para cada tipo de bomba desde la salida de la tubería hasta donde cae al depósito. Obtención del caudal:
=
∗ ∅ ∗
Donde x= 0.44m, y=1.024m y el diámetro es de 0.01905 m
= 1739.4 ∗ 0.01905 ∗
0.44 ∗ 3.78 . = 0.0725 √ 1.024
Bomba sumergible. La obtención de los datos se realizó de la misma manera que para la bomba tipo turbina horizontal
Aforo volumétrico
=
18.9 = 1.624 11.64
Aforo por el método de la trayectoria
= ∗ ∅ ∗
Donde x= 1.37m, y=1.06m y el diámetro es de 0.01905 m
1.37 = 1739.4 ∗ 0.01905 ∗
∗ 3.78 . = 0.22 √ 1.06
Aforo para flujos verticales
Obtención de Datos:
Se midió hasta donde llega el fluido desde la salida de la tubería en forma vertical.
= 3.15 ∗ 0.02. ∗ 0.054. ∗
264.172 = 0.2266 1
Resultados obtenidos Tipo de bomba
Aforo Volumétrico
Aforo por el
Aforo para flujos
método de la
verticales
trayectoria Bomba centrifuga
0.126 gal/s
0.0725 gal/s
______
Bomba
0.4296 gal/seg
0.226 gal/seg
0.2266 gal/Seg
sumergible
Eficiencia de las bombas utilizadas Para encontrar la eficiencia de las bombas utilizadas en el laboratorio para los ensayos se utilizará la siguiente formula:
=
∗ 3960 ∗
Para la bomba centrifuga se tiene una presión de 40 psi (para encontrar el CDT) y una potencia de ½ HP. Encontrando el CDT:
= 60 ∗ 2.31 = 138.6 ∗ 0.3048 = 42.25 Encontrando la eficiencia:
=
7.56 ∗ 138.6 = 0.53 53% 3960 ∗ 0.5
Para la bomba sumergible se tiene una presión de 60 psi (para encontrar el CDT) y una potencia de ½ HP. Encontrando el CDT:
= 40 ∗ 2.31 = 92.4 ∗ 0.3048 = 28.164 Encontrando la eficiencia:
=
25.78 ∗ 92.4 = 0.72 72% 3960 ∗ 0.5
CONCLUSIONES
Las bombas pueden ser de la misma potencia, pero según su tipo de funcionamiento pueden dar un caudal más grande
Los diferentes aforos pueden variar significativamente ya que el aforo volumétrico es el más confiable, se debe tratar de realizar siempre este ya que los otros tipos tienen cierto grado de incertidumbre y variar bastante.
Las bombas tienen una buena eficiencia gracias a que en los sistemas ensayados no hay muchas pérdidas, sin embargo, siempr e hay que tomar en cuenta este dato ya que nos da buena información de cómo trabaja la bomba
BIBLIOGRAFIA
Potter, M., Wiggert, D., Ramadan, B. and Romo Mun ̃oz, J. (n.d.). Meca ́nica de fluidos. Me ́xico: Cengage Learning. Viejo Zubicaray, M. and Álvarez Ferna ́ndez, J. (2011). Bombas. Me ́xico: Limusa. Morales Ayau, E. (2013). MANTENIMIENTO DEL PARQUE TECNOLÓGICO DE FUENTES RENOVABLES DE ENERGÍA DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA. Licenciatura. Universidad de San Carlos de Guateamal
