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MN-464 B DOCENTE: PAEZ, Eliseo

LABORATORIO #: BOMBA DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO.

FECHA: 22 de mayo de 2015 ALUMNOS: HURTADO HUAMAN, PABLO MANDUJANO DE LA CRUZ, DIANA POCCOMUCHA ESPINOZA, MIGUEL SOSA ULLOQUE, CHRISTIAN VELASQUEZ CASTELLANOS, JHONATAN

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

2015 – I

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA III

ÍNDICE



INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 3



OBJETIVOS ............................................................................................................... 4



FUNDAMENTO TEÓRICO ...................................................................................... 5



Bombas de impulsión. ............................................................................................. 5 Clasificación de las bombas. ........................................................................................ 5 Bombas de desplazamiento positivo............................................................................. 6 Bombas de émbolo................................................................................................ 6 Bombas de engranes. ........................................................................................... 8 Bombas de paletas. ............................................................................................... 9



DATOS DE LABORATORIO ................................................................................. 14



CÁLCULOS Y RESOLUCIÓN ............................................................................... 15



OBSERVACIONES ................................................................................................. 21



CONCLUSIONES .................................................................................................... 22

Página 2

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INTRODUCCIÓN

Las bombas de desplazamiento positivo han sido desarrolladas como complemento y mejora de nuestro sistema de bombeo con bomba centrífuga. Para ello, se ha diseñado un motor específico para impulsores de desplazamiento positivo y un sistema de control que permite trabajar en el punto de máxima potencia de los paneles sea cual sea la potencia disponible. Estas bombas se dividen en rotatorias y reciprocantes, las cuales no solo se utilizan para bajo volumen sino también para capacidades hasta de 2500 gpm. Así mismo se emplean para líquidos viscosos, con los cuales las bombas centrífugas no son muy eficaces. En la presente experiencia de laboratorio se ensayó con una bomba de desplazamiento positivo tipo tornillo marca MONO, modelo CAE 1021. Entre algunas de sus ventajas tenemos que este tipo de bomba posee bajas vibraciones mecánicas con flujo libre de pulsaciones y operaciones suaves, además de tener un diseño sólido y compacto, fácil de instalar y mantener. La aplicación de las bombas de tornillo cubre una gama de mercados diferentes, tales como en la armada, en la marina y en el servicio de aceites combustibles, carga marítima, quemadores industriales de aceite, servicio de lubricación de aceite, procesos químicos, industria de petróleo y del aceite crudo, hidráulica de potencia para la armada y las máquinas - herramientas y muchos otros. Durante el ensayo se tomaron datos de presiones a la entrada y salida de la bomba, así como de voltajes y corrientes del motor eléctrico que lo acciona. También se midió el caudal que proporciona para diferentes velocidades de rotación. Con todos estos datos se determinaran potencias hidráulicas, eléctricas, eficiencias y se podrán graficar las curvas características de la bomba de desplazamiento positivo.

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OBJETIVOS  Analizar una bomba características.

helicoidal

hallando

sus

curvas

 Hallar la eficiencia de la bomba helicoidal que varía según el caudal.  Determinar cuál es la velocidad optima con la que debe trabajar la bomba helicoidal.

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FUNDAMENTO TEÓRICO Bombas de impulsión. Para muchas necesidades de la vida diaria tanto en la vida doméstica como en la industria, es preciso impulsar sustancias a través de conductos, los aparatos que sirven para este fin se conocen como bombas de impulsión. Aunque en la práctica se pueden bombear gases e incluso sólidos en suspensión gaseosa o líquida, para los intereses de nuestra experiencia solo consideramos bombas. La diversidad de estas máquinas es extensa, aquí solo trataremos de manera elemental las más comunes. Clasificación de las bombas. Todas las bombas pueden clasificarse en dos grupos generales: 1. Bombas de desplazamiento positivo. 2. Bombas de presión límite Las bombas de desplazamiento positivo no tienen límite de presión máxima de impulsión, esta presión de salida puede llegar a valores que ponen en peligro la integridad de la bomba si el conducto de escape se cierra completamente. Para garantizar el funcionamiento seguro de ellas, es necesario la utilización de alguna válvula de seguridad que derive la salida en caso

de

obstrucción

del

conducto.

Si el ajuste es apropiado, estas bombas pueden bombear el aire de su interior y con ello, crear la suficiente depresión en el conducto de admisión como para succionar el líquido a bombear desde niveles más bajos que la posición de la bomba, aun cuando estén llenas de aire. Se caracterizan porque el caudal de bombeo casi no es afectado por la presión de funcionamiento. Se pueden clasificar en: 

Bombas de émbolo.



Bombas de engranes.



Bombas de diafragma. Página 5

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

Bombas de paletas.

Las bombas de presión límite son aquellas que impulsan el líquido solo hasta determinada presión, a partir de la cual el caudal es cero. Estas bombas pueden funcionar por un tiempo relativamente largo sin averías con el conducto de salida cerrado. Existe en ellas una dependencia generalmente no lineal entre el caudal bombeado y la presión de descarga. Las más comunes son: 

Bombas centrífugas.



Bombas de hélice



Bombas de diafragma con resorte.

Veamos ahora algunas características de cada una de ellas. Bombas de desplazamiento positivo. Bombas de émbolo. En estas bombas el líquido es forzado por el movimiento de uno o más pistones ajustados a sus respectivos cilindros tal y como lo hace un compresor.

En la figura se muestra

como se produce el

bombeo, Durante la carrera de descenso del pistón, se abre la válvula de admisión accionada por el vacío creado por el propio pistón, mientras la de descarga se aprieta contra su asiento, de esta forma se llena de líquido el espacio sobre él. Luego, cuando el pistón sube, el incremento de presión cierra la válvula de admisión y empuja la de escape, abriéndola, con lo que se produce la descarga. La repetición de este ciclo de trabajo produce un bombeo pulsante a presiones que pueden ser muy grandes. El accionamiento del pistón en las bombas reales se fuerza a través de diferentes mecanismos, los más comunes son:

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1. Mecanismo pistón-biela-manivela 2. Usando una leva que empuja el pistón en la carrera de impulsión y un resorte de retorno para la carrera de succión como en la bomba de inyección Diesel. Estas bombas de pistones son de desplazamiento positivo, y dada la incompresibilidad de los líquidos no pueden funcionar con el conducto de salida cerrado, en tal caso. se produciría o bien la rotura de la bomba, o se detiene completamente la fuente de movimiento, por ejemplo, el motor eléctrico de accionamiento. Como durante el trabajo se produce rozamiento entre el pistón y el cilindro, necesitan de sistemas de lubricación especiales para poder ser utilizadas en la impulsión de líquidos poco lubricantes tales como el agua. Tampoco pueden ser usadas con líquidos contaminados con partículas que resultarían abrasivas para el conjunto. Una variante de este método de bombeo se utiliza en los molinos de viento tradicionales, en este caso el cilindro es inoxidable, generalmente de bronce, y el pistón, también inoxidable, está dotado de sellos o zapatillas de cuero, las que duran bastante tiempo lubricadas con el agua de funcionamiento a las bajas velocidades de acción de estos molinos. En la figura se muestra un animado de este método, observe como en este caso la impulsión es axial, y hay una válvula colocada en el centro del pistón. Esta válvula permite el paso desde la cámara inferior del cilindro a la cámara superior durante la carrera de descenso, luego, cuando el pistón sube se cierra, y el agua es impulsada hacia arriba por el pistón. Otra válvula en la parte inferior del cilindro permite la entrada del agua a este cuando el pistón sube y crea succión debajo, pero se cierra cuando este baja, obligando al agua a cambiar de la cámara inferior a la superior del pistón a través de la válvula central.

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Bombas de engranes. Hay diferentes variantes de las bombas de engrane, pero la más común es la que se muestra

animada

en

la

figura

3.

En un cuerpo cerrado están colocados dos engranes acoplados de manera que la holgura entre estos y el cuerpo sea muy pequeña. El accionamiento de la bomba se realiza por un árbol acoplado a uno de los engranes y que

sale

al

exterior.

Este

engrane

motriz

arrastra

el

otro.

Los engranes al girar atrapan el líquido en el volumen de la cavidad de los dientes en uno de los lados del cuerpo, zona de succión, y lo trasladan confinado por las escasas holguras hacia el otro lado. En este otro lado, zona de impulsión, el líquido es desalojado de la cavidad por la entrada del diente del engrane conjugado, por lo que se ve obligado a salir por el conducto de descarga. La presión a la salida en estas bombas es también pulsante como en las bombas de pistones, pero los pulsos de presión son en general menores en magnitud y más frecuentes, por lo que puede decirse que tienen un bombeo más

continuo

que

aquellas.

Este tipo de bombas es muy utilizado para la impulsión de aceites lubricantes en las máquinas y los sistemas de accionamiento hidráulico Bombas de diafragma. En

la

figura

4

se

muestra

de

forma

esquemática un animado del funcionamiento de

estas

bombas.

El elemento de bombeo en este caso es un diafragma flexible, colocado dentro de un cuerpo cerrado que se acciona desde el exterior

por

un

mecanismo

reciprocante.

Este movimiento reciprocante hace aumentar y disminuir el volumen debajo del diafragma, observe que un par de válvulas Página 8

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convenientemente colocadas a la entrada y la salida fuerzan el líquido a circular

en

la

dirección

de

bombeo.

Como en las bombas de diafragma no hay piezas fricionantes, ellas encuentran aplicación en el bombeo de líquidos contaminados con sólidos, tal como los lodos, aguas negras y similares.

Bombas de paletas. Utilicemos el esquema de la figura 5 para la descripción de las bombas de paletas. Dentro de un cuerpo con una cavidad

interior

encuentra

un

cilíndrica rotor

se

giratorio

excéntrico por donde entra el movimiento a la bomba. En este rotor

se

han

practicado

unos

canales que albergan a paletas deslizantes,

construidas

de

un

material resistente a la fricción. Cada paleta es empujada por un resorte colocado en el fondo del canal respectivo contra la superficie interior de la cavidad del cuerpo. Este resorte elimina la holgura entre la paleta y el interior de la bomba, con independencia de la posición del rotor, y además compensa el desgaste que puede producirse en ellas con el uso prolongado. Cuando el rotor excéntrico gira, los espacios entre las paletas de convierten en cámaras que atrapan el líquido en el conducto de entrada, y lo trasladan al conducto de salida. Observe que, debido a la excentricidad, del lado de la entrada, la cámara se agranda con el giro y crea succión, mientras que del lado de la salida, la cámara se reduce y obliga al líquido a salir presurizado. En la figura 6 puede verse un animado del funcionamiento de una de estas bombas

utilizando

solo

dos

paletas

para

simplificar.

La debida hermeticidad de las paletas y el cuerpo se garantiza por la presión del resorte colocado entre ellas.

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Bomba de tornillo Es un tipo de bomba hidráulica considerada de desplazamiento positivo, que se diferencia de las habituales. Esta bomba utiliza un tornillo helicoidal excéntrico que se mueve dentro de una camisa y hace fluir el líquido entre el tornillo y la camisa. Actividad que realiza: Está específicamente indicada para bombear fluidos viscosos, con altos contenidos de sólidos, que no necesiten removerse o que formen espumas si se agitan. Como la bomba de tornillo desplaza el líquido, este no sufre movimientos bruscos, pudiendo incluso bombear uvas enteras. Uno de los usos que tiene es la de bombear fangos de las distintas etapas de las depuradoras, pudiendo incluso bombear fangos deshidratados procedentes de filtros prensa con un 22-25% de sequedad. Este tipo de bombas son ampliamente utilizadas en la industria petrolera a nivel mundial, para el bombeo de crudos altamente viscosos y con contenidos apreciables de sólidos. Nuevos desarrollos de estas bombas permiten el bombeo multifásico. En este tipo de bombas pueden operar con flujos fijos a su descarga, aun cuando bombeen contra una red de presión variable. Convirtiéndolas en excelentes equipos de bombeo a utilizar en redes de recolección de petróleo. En el caso de las bombas centrífugas. El flujo entregado depende de la presión a su descarga. El líquido es transportado por medio de un tornillo helicoidal excéntrico que se mueve dentro de una camisa (estator). El núcleo inserto de la bomba es de fácil recambio. El accionamiento de los tornillos conducidos se realiza hidráulicamente. Bombas de un tornillo Los componentes primordiales son el rotor y el estator. El rotor es de una hélice externa simple y el estator es de una hélice interior. Bombas de doble tornillo Estas bombas transportan su contenido en forma axial, uniforme y continua. Durante la rotación de los tornillos impulsores no se genera turbulencia.

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La bomba de triple tornillo Genera cámaras estancas en el núcleo de la bomba, debido al perfilado especial de sus flancos. Detalles de funcionamiento de las bombas de tornillo Bombas de un tornillo con capacidad de volumen fijo: Bombas de un tornillo (capacidad variable) Un pistón regulador de la capacidad (1) con movimiento horizontal acciona a la valvula deslizante (2). Esta modifica el tamaño del orificio de escape (3), regulando así la capacidad de volumen de transporte. 1. Pistón regulador de la capacidad. 2. Válvula deslizante. 3. Orificio de escape. 4. Salida de la bomba de tornillo. 5. Tornillo. 6. Entrada a la bomba de tornillo.

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PROCEDIMIENTO -

Prender el motor asegurándose de que las válvulas de succión y descarga abierto, en esta posición se mide el caudal máximo que genera la bomba.

-

Variar la presión de descarga de 0 a 150 pies de H2O, y medir la presión de succión en pulgada de mercurio.

-

Medir las alturas en el tubo de Reynold, las revoluciones en un minuto para obtener las RPM.

-

Tabular los datos y graficar los datos pedidos.

EQUIPOS UTILIZADOS 

Manometros

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

Bomba de desplazamiento positivo



Tablero con variador de velocidad y un motor eléctrico.

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DATOS DE LABORATORIO N = 400 RPM P2(bar)

P1 (bar)

0 1 2 3 4

0 0 0 0 0

P2(bar)

P1 (bar)

0 1 2 3 4

0 0 0 0 0

P2(bar)

P1 (bar)

0 1 2 3 4

0 0 0 0 0

P2(bar)

P1 (bar)

0 1 2 3 4

0 0 0 0 0

delta h (mmHg) 90 100 94 76 50

V (volt)

I (amp)

80 83 83 88 91

4.3 4.95 5.2 6.5 7.8

V (volt)

I (amp)

89 91 93 99 99

7.3 4.7 5.2 6.4 7.4

V (volt)

I (amp)

97 100 101 104 107

4.3 4.7 5.2 6.1 7.2

V (volt)

I (amp)

106 109 111 113 116

4.3 4.8 5.2 6.2 7.2

N = 450 RPM delta h (mmHg) 126 110 95 86 50

N = 500 RPM delta h (mmHg) 150 140 130 110 80

N = 550 RPM delta h (mmHg) 170 150 150 115 75

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CÁLCULOS Y RESOLUCIÓN Fórmulas utilizadas:



Altura de la bomba 𝑃2 − 𝑃1 𝑉22 − 𝑉12 𝐻𝐵 = + + (𝑧2 − 𝑧1 ) 𝛾 2𝑔



Caudal 𝑄𝑅 = 189.6𝐶𝑑 √∆𝐻[𝑙𝑡⁄𝑚𝑖𝑛] Considerar: Cd = 0.57



Potencia hidráulica 𝑃𝐻2 𝑂 = 𝛾𝑄𝐻𝐵



Potencia eléctrica 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐 = 𝑉𝐼



Rendimiento de la electrobomba 𝑛𝑒𝑏 =

𝑃𝐻2 𝑂 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐

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RESULTADOS N = 400 RPM Q (lt/s)

HB (m)

𝑷𝑯𝟐𝑶 (W)

𝑷𝒆𝒍𝒆𝒄 (W)

𝒏𝒆𝒃 (%)

0.5404 0.5696 0.5522 0.4966 0.4028

0.0000 10.1843 20.3687 30.5530 40.7373

0.0000 56.9067 110.3463 148.8304 160.9566

344.0000 410.8500 431.6000 572.0000 709.8000

0.0000 13.8510 25.5668 26.0193 22.6763

Q (lt/s)

HB (m)

𝑷𝑯𝟐𝑶 (W)

𝑷𝒆𝒍𝒆𝒄 (W)

𝒏𝒆𝒃 (%)

0.6394 0.5974 0.5552 0.5282 0.4028

0.0000 10.1843 20.3687 30.5530 40.7373

0.0000 59.6843 110.9317 158.3194 160.9566

649.7000 427.7000 483.6000 633.6000 732.6000

0.0000 13.9547 22.9387 24.9873 21.9706

Q (lt/s)

HB (m)

𝑷𝑯𝟐𝑶 (W)

𝑷𝒆𝒍𝒆𝒄 (W)

𝒏𝒆𝒃 (%)

0.6976 0.6739 0.6494 0.5974 0.5095

0.0000 10.1843 20.3687 30.5530 40.7373

0.0000 67.3330 129.7673 179.0529 203.5957

417.1000 470.0000 525.2000 634.4000 770.4000

0.0000 14.3262 24.7082 28.2240 26.4273

Q (lt/s)

HB (m)

𝑷𝑯𝟐𝑶 (W)

𝑷𝒆𝒍𝒆𝒄 (W)

𝒏𝒆𝒃 (%)

0.7427 0.6976 0.6976 0.6108 0.4933

0.0000 10.1843 20.3687 30.5530 40.7373

0.0000 69.6962 139.3925 183.0770 197.1307

455.8000 523.2000 577.2000 700.6000 835.2000

0.0000 13.3211 24.1498 26.1315 23.6028

N = 450 RPM

N = 500 RPM

N = 550 RPM

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P elec vs P2 900 800 700

Pelec (W)

600

500 400 300 200 100 0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

P2 (bar) 400 RPM

450 RPM

500 RPM

550 RPM

Poly. (400 RPM)

Poly. (450 RPM)

Poly. (500 RPM)

Poly. (550 RPM)

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P H2O vs P2 250

PH2O (W)

200

150

100

50

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

P2 (bar)

400 RPM

450 RPM

500 RPM

550 RPM

Poly. (400 RPM)

Poly. (450 RPM)

Poly. (500 RPM)

Poly. (550 RPM)

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Eficiencia (n) vs P2 30

25

n (%)

20

15

10

5

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

P2 (bar) 400 RPM

450 RPM

500 RPM

550 RPM

Poly. (400 RPM)

Poly. (450 RPM)

Poly. (500 RPM)

Poly. (550 RPM)

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Q vs P2 0.8 0.7 0.6

Q (lt/s)

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

P2 (bar) 400 RPM

450 RPM

500 RPM

550 RPM

Poly. (400 RPM)

Poly. (450 RPM)

Poly. (500 RPM)

Poly. (550 RPM)

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OBSERVACIONES 

Controlar las rpm para poder tomar los valores respectivos de los parámetros correctamente.



Notar que la faja de motor no esté tan floja y ajustarlo hasta que las pérdidas sean mínimas.

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CONCLUSIONES 

Se observa claramente que los parámetros del sistema aumentan cuando las RPM aumentan, debido a que son proporcionales con las RPM.



La gráfica Pelec vs P2: muestra que la Presión manométrica P2 aumenta a medida que aumenta la potencia eléctrica y mantenemos constante las RPM; sin embargo también se puede deducir que la presión P2 se puede alcanzar a bajas revoluciones y bajas potencias o a altas revoluciones y altas potencias.



De la gráfica Q vs P2: La Presión manométrica P2 , para unas RPM constantes, aumenta a medida que disminuye el caudal , se llega fácilmente a esta conclusión ya que si disminuye el caudal entonces la presión de velocidad también disminuye aumentando la presión estática que es lo que marca el manómetro P2.



En la gráfica PH2O vs P2 se deduce que el comportamiento de la potencia hidráulica es similar al de la potencia eléctrica esto es porque la potencia hidráulica es una parte de la potencia total.



De la gráfica Eficiencia de planta vs P2: la Eficiencia tiene un comportamiento variable para unas RPM constantes, es decir, aumenta a medida que aumenta la presión P2 (entre 1 a 2.5 bares), luego comienza a bajar cuando sobrepasa los 2.5 bares; esto quiere decir que el sistema tiene un punto óptimo de funcionamiento (máxima eficiencia) que no necesariamente es donde la potencia es máxima. También se deduce que para una presión determinada a mayor RPM la eficiencia aumenta.

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