Laboratorio de Mecánica de Fluidos IICaracterísticas Externas de Bombas Centrífugas y Cavitación 27 de agosto del 2017 - I Término 2017 – 2018 Nicky Roberto Nolivos Galarza Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil – Ecuador [email protected] Resumen La práctica tuvo como objetivo comprender el manejo y funcionamiento de las bombas centrífugas, determinando sus características y observando el fenómeno de cavitación producido durante la práctica. Se utilizó el banco de bomba, que consistía en dos bombas centrífugas que operaban en circuito cerrado y cada una trabajaba a una velocidad angular nominal distinta medida por el tacómetro, cuya medida para la primera bomba fue de 2500 RPM. Se reguló el caudal utilizando la válvula de descarga para las distintas posiciones manteniendo una velocidad constante. Posteriormente se tomaron las medidas de cabezal de admisión y de descarga, caudal y fuerza del dinamómetro, y se aumentó la velocidad de la segunda bomba hasta 1800 RPM. Se repitió el procedimiento en tres iteraciones variando las velocidades para ambas bombas y se determinó los valores de cabezal total, potencia mecánica, potencia hidráulica y la eficiencia. Se realizaron las gráficas de Potencia mecánica, altura total, rendimiento vs Caudal. Palabras clave: Cabezal de admisión, potencia mecánica, potencia hidráulica, cavitación Introducción ṁ: Flujo másico (kg/s) Cabezal total g: Gravedad (m/s2) Es la diferencia entre el cabezal de descarga y el Potencia mecánica cabezal de admisión. Está dado por la siguiente Es la potencia entregada del eje del motor a la ecuación: bomba centrífuga. Está dada por la siguiente HT = Hdes − Hadm (ec. 1) ecuación: Hdes : Cabezal de descarga (m) PM = W ∗ T Hadm : Cabezal de admisión (m) 2∗π∗N PM = ∗T 60 Potencia hidráulica 2 ∗ π ∗ N ∗ 0.165 ∗ F Es la potencia que la bomba entrega al fluido. PM = (ec. 3) 60 Relaciona el flujo másico, la gravedad y el cabezal total: N: Velocidad angular nominal de la bomba (RPM) PW = HT ∗ ṁ ∗ g (ec. 2) F: Fuerza del dinamómetro (N) HT : Cabezal total (m) Eficiencia de la bomba mientras que en la Bomba 2 en la Fundamentos y Aplicaciones. el En el Anexo A se encuentran los cálculos de las diámetro del rotor o el caudal. 4) mecánicas. ecuaciones 1 – 4. Práctica Características externas de bombas Análisis de Resultados. SERIE CE41675 MODELO GH90 Se pudo comprobar que la bomba 2 presentó CÓDIGO ESPOL 03701 menores valores de eficiencia que la bomba 1. Cengel. Conclusiones y centrífugas y cavitación. por lo que varía a medida del aumento MARCA GILKES de las revoluciones. la bomba 1 presentó una mayor EQUIPO Tacómetro digital eficiencia y por ende se pudo comprobar en las MARCA Extech Instruments Tablas 3 – 4 – 5. ESPOL. Pm Al aumentar las revoluciones en las bombas se Pw: Potencia hidráulica produjo un efecto de cavitación en las bombas. 5ta edición Gráfica 5. así como el cálculo de incertidumbres para cada dato de las bombas centrífugas. ya Tabla 1. (2011) Fluid Mechanics. lo potencia hidráulica y la potencia mecánica: cual se produjo debido a errores de medición en el dinamómetro para determinar las presiones Pw η= (ec. Instrumentación y de las bombas y el lugar donde se encontraban Procedimiento asentadas dichas bombas. Mecánica de Fluidos – eficiencia. Frank. eficiencia y cabezal total vs . White. Datos del equipo: Banco de bomba que en cada medición sus valores eran mucho menores. En el Anexo B se encuentran las tablas de resultados tabulados para cada bomba. Datos de Instrumentación: Tacómetro los puntos dificultaba la toma de datos digital Se logró mantener la misma eficiencia de las Resultados bombas al cambiar la velocidad angular. ya que la dispersión de Tabla 2. Guayaquil. New York: Mc Graw Hill valores máximos rondan por encima del 100% de . se obtuvo . Referencias Bibliográficas En el Anexo C se encuentran las gráficas de Potencia mecánica. Mecánica de Fluidos II. Recomendaciones Ecuador: FIMCP Se pudo comprobar que en la Gráfica 2.La eficiencia de la bomba es el cociente entre la se presenta una mayor dispersión en los datos. (2017) Guía de laboratorio de Caudal. una mayor eficiencia para la Bomba 1 cuyos 7th ed. presentan los valores más altos (2006) cercanos al 20% de eficiencia. Manual del Equipo “Universal Radial Flow Machines Apparatus” . Para la bomba 1.1 RPM Se calcularon los cabezales para analizar las Rango 0. . hay que aclarar que este comportamiento no genera una fuerza EQUIPO Banco de bomba constante.5 – 19999 RPM eficiencias de las bombas. lo Pm : Potencia mecánica cual se pudo leer en el dinamómetro como la fuerza resultante entre los ajustes de los motores Equipos. SERIE 461891 Resolución 0. 𝟓𝟓 𝐖 Eficiencia .Anexos Anexo A – Procesamiento de datos Cálculos representativos Para realizar los cálculos usaremos la primera iteración de la bomba 2 a 1800 RPM Cabezal total Hdes = 4.5 Pm = 60 𝐏𝐦 = 𝟏𝟓.5 Pm = W ∗ T 2 ∗ π ∗ 1800 ∗ 0.10 s Pw = Ht ∗ ṁ ∗ g Pw = 0.5 m m g = 9.5 ∗ 0.165 ∗ 0.165 ∗ F F = 0.10 ∗ 9. 𝟓 𝐦 Potencia Hidráulica Ht = 0.81 s2 ṁ = Q ∗ ρ kg ṁ = 0.81 𝐏𝐰 = 𝟎.5 m Hadm = 4 m Ht = Hdes − Hadm Ht = 4.5 − 4 𝐇𝐭 = 𝟎. 𝟒𝟗 𝐖 Potencia Mecánica 2∗π∗N W= 60 N = 1800 RPM T = 0. 165 ∗ 𝑁 = 𝜕𝐹 60 .49 W Pm = 15.49 η= 15.5 m δN ±1 RPM δF ±0.5 N Cabezal total Ht = Hdes − Hadm 𝜕Ht = 1 − Hadm 𝜕Hdes 𝜕Ht = Hdes − 1 𝜕Hadm 2 2 𝜕Ht = √((1 − Hadm ) ∗ δHdes ) + ((Hdes − 1) ∗ δHadm ) Potencia Hidráulica Pw = Ht ∗ ṁ ∗ g 𝜕Pw = ṁ ∗ g 𝜕Ht 2 𝜕Pw = √((ṁ ∗ g) ∗ δHt ) Potencia Mecánica 2 ∗ π ∗ N ∗ 0.55 𝛈 = 𝟎. 𝟎𝟑 Cálculo de Incertidumbre δHt ±0.165 ∗ 𝐹 = 𝜕𝑁 60 𝜕PM 2 ∗ 𝜋 ∗ 0.Pw = 0.165 ∗ F PM = 60 𝜕PM 2 ∗ 𝜋 ∗ 0.55 W Pw η= Pm 0. 55 0.30 -0.5 10.0 22.5 2.00 15.5 0.00 3.00 257.5 4.0 3.20 0.84 1.85 2.47 0.00 0.5 4.00 382.55 0.55 -0.38 453.84 2.95 0.0 0.57 1.5 1.57 0.00 1.80 -0.00 0.25 -0.5 1.55 0.5 10.35 1.0 4.03 0.87 2.97 453.50 85.5 0.00 0.85 20.5 17.30 17.0 22.90 -0.5 2.5 20.0 0.00 15.0 282.20 18.00 1.5 4.85 453.5 1.5 1.60 -0.45 15.50 1.0 2.00 0.0 0.58 .49 15.0 2.0 10.70 2.10 0.80 RPM 2.80 16.25 1800 0.0 2.50 394.5 0.60 99.00 -0.51 453.5 14.5 4.50 20.90 18.0 0.5 1.0 0.5 18.34 99.5 3.55 0.5 21.60 3.98 15.5 0.00 194.53 178.5 2.97 0.57 0.30 0.55 0.70 0.50 361.57 0.165 ∗ 𝑁 𝜕PM = √((( ) ∗ 𝛿𝑁) + (( ) ∗ 𝛿𝐹) ) 60 60 Anexo B – Tablas de Resultados Bomba Q Hadm Hdes F M Ht Pw Pm N–1 L/s m m N Kg/s m W W % 0.5 1.35 0.5 0.5 15.0 0.00 18. Resultados para la primera toma de datos en Bomba 1 a 2500 RPM y Bomba 2 a 1800RPM Bomba Q Hadm Hdes F M Ht Pw Pm N–1 L/s m m N Kg/s m W W % 0.50 80.74 475.5 20.00 15.0 4.50 -0.5 163.50 362.76 0.84 1.06 0.5 1.30 0.17 0.35 -1.5 2.40 3.95 -0.57 0.57 0.55 0.00 0.5 0.60 0.35 23.92 496.90 -0.00 135.13 Bomba Q Hadm Hdes F M Ht Pw Pm N–2 L/s m m N Kg/s m W W % 0.50 2.5 0.97 453.50 2.50 0.40 1.50 17.0 0.16 178.0 0.09 0.95 12.5 10.25 19.60 15.84 647.55 0.60 -1.00 0.10 0.50 301.5 9.33 1.0 11.50 -0.5 16.90 158.64 RPM 1.57 0.5 19.5 17.00 Tabla 3.5 0.25 -0.0 250.25 21.00 0.5 2.5 0.0 3.43 1.10 4.59 453.5 0.0 10.80 2.5 0.10 0.55 0.66 453.50 -0.5 0.67 2500 1.20 3.55 0.50 0.35 1.85 0.40 1.5 18.50 0.30 3.76 3.47 15.0 10.165 ∗ 𝐹 2 ∗ 𝜋 ∗ 0.5 0.00 0.00 362.20 10.5 18.55 19. 2 2 2 ∗ 𝜋 ∗ 0.5 0.00 1.0 1.5 10.85 -0.69 431.5 2.00 313.5 10.51 99.03 2300 0.96 1.5 0.50 3.57 0.19 0.90 22.5 11.00 15.0 0.60 23.24 453.0 1.57 0.5 4.63 3.20 -0.0 46.5 18.0 102.16 RPM 0.5 2.00 15.55 0.0 10.5 0.92 15.20 -0.0 3.0 15.5 12.0 211. 0 18.70 16.36 0.0 2.70 -0.5 1.00 -0.41 129.40 2.5 278.43 0.35 11. Resultados para la tercera toma de datos en Bomba 1 a 2600 RPM y Bomba 2 a 3000RPM .81 64.45 -0.60 6.80 2.70 207.58 155.5 1.30 -0.5 18.0 8.5 1.40 -0.87 107.17 0.60 -0.80 0.60 24.50 -0.5 8.5 24.20 8.5 22.60 0.35 13. 2.74 718.20 0.07 207.5 3.0 1.0 15.0 8.5 24.93 0.09 359.5 88.0 3.5 23.0 7.00 -0.5 11.26 0.59 0.35 2.5 0.35 8.5 12.40 0.20 -0.5 144.0 8.5 12.20 0.65 0.51 0.77 64.85 0.08 3000 0.20 9.86 0.0 16.0 0.04 718.96 2.5 22.59 0.60 8.02 0.11 337.35 0.82 3.80 1.00 Tabla 5.43 233.0 7.0 0.90 24.00 8.0 9.11 RPM 1.5 2.0 0.0 11.0 6.26 0.0 8.0 0.60 1.5 437.06 1.60 0.0 10.5 14.15 -0.0 13.15 19.18 0.5 300.0 0.61 3.5 2.80 -0.29 808.5 4.00 6.0 9.92 2600 1.0 9.5 4.5 10.08 0.20 2.70 10.80 12.5 8.5 29.20 1.77 86.0 0.02 0.5 1.0 8.45 12.5 1.83 317.35 -0.80 0.0 0.30 2.0 211.25 -0.60 12.5 19.5 17.0 1.0 16.80 0.0 1.0 13.0 2.0 2.90 11.5 22.5 379.0 4.0 4.06 0.5 11.5 60.28 584.5 8.0 3.54 285.11 Bomba Q Hadm Hdes F M Ht Pw Pm N–2 L/s m m N Kg/s m W W % 0.0 0.59 3.0 1.5 10.80 0.12 0.5 10.50 786.0 2.5 426.5 1.00 311.02 0.75 457.5 14.0 1.5 21.14 0.5 0.15 -0.15 14.5 0.0 14.15 0.20 23.76 359.5 331.00 14.35 0.49 233.0 3.11 1.0 3.00 Tabla 4.20 4.14 1.18 RPM 1.90 -0.60 0.0 0.0 4.80 7.40 8.5 305.5 4.0 2.0 1.5 10.5 0.0 361.80 0.35 2.60 2.5 7.20 1.0 16.0 1.70 2.0 0.80 RPM 2.54 3.09 494.14 Bomba Q Hadm Hdes F M Ht Pw Pm N–2 L/s m m N Kg/s m W W % 0.89 2.55 1.40 3.0 64.71 0.90 2.0 0.70 -0.20 2500 0.0 0.18 0.0 3.85 0.40 0.5 6.5 14.43 337.75 1.5 2.5 0.5 2.50 22.15 3.83 43.03 0.10 0.5 15.25 24.44 437.5 1.0 15.46 3.0 10.5 2.85 43.0 7.65 471.5 23.5 3.5 1.0 14.00 129.21 404.13 1.5 5.60 1.15 13.94 21.72 181. Resultados para la segunda toma de datos en Bomba 1 a 2300 RPM y Bomba 2 a 2500RPM Bomba Q Hadm Hdes F M Ht Pw Pm N–1 L/s m m N Kg/s m W W % 0.5 411.32 0.5 435.15 1.60 -0.0 26.90 381.69 2.40 18.5 11.5 16.99 0.0 270.00 1.5 3.5 1.0 11.80 0.5 8.56 628.40 0.60 2.80 21.08 1.39 0.0 2.5 5.95 0.0 235. 30 0.70 1.04 11.55 1.70 21.47 15.36 21.60 5.29 8.28 4.71 4.17 15.24 19.40 15.60 4.60 2500 9.54 10.13 21.78 1.87 5.60 RPM 8.78 6.87 RPM 6.47 21.36 19.75 21.49 15.60 8.72 19.94 15.95 0.71 5.06 3.87 3.55 2.55 1.86 0.83 19.95 1.55 RPM 1.55 0.55 19.60 10.28 9.07 21.98 15.87 8.89 19.32 15.60 2.41 19.60 9.87 8.19 19.55 0.60 10.60 .87 4.81 21.60 6.80 1.79 16.23 19.91 15.17 21.96 15.79 12.55 Tabla 6.87 Bomba δHt δPW δPM N–2 2500 5.60 Bomba δHt δPW δPM N–2 2.00 4.56 13.45 15.55 1800 1.41 21.41 2.55 1.78 2.28 5.70 19.53 7.87 2300 7.34 14.55 14.60 9.28 21.80 1.90 17.02 19.98 21.55 0.72 21.43 15.87 7. Incertidumbres de Bomba 1 a 2500 RPM y Bomba 2 a 1800RPM Bomba δHt δPW δPM N–1 8.79 7.55 1.53 9.60 RPM 5.87 0.94 21.87 8.55 12.53 4.96 21.60 0. Bomba δHt δPW δPM N–1 10. Gráficas .60 2.60 12.92 3000 0.5 22.46 0.0 25.92 0.89 21.35 -0.5 22.70 -0.46 2.92 1.85 21.50 -0.25 -0.94 21.87 21.60 -0.15 -0.35 13.60 1.5 22.92 Tabla 8.92 0.5 22.60 -0.5 22.40 -0.46 2.20 -0.0 25.46 0.85 0.5 22.85 5.95 6.90 11.20 9.92 21.46 3.0 25.92 0.5 22.5 25.0 25.80 3.60 Tabla 7.60 0.35 8.5 22.00 -0.91 21.51 2.46 Bomba Q Hadm Hdes N–2 L/s m m 0.91 4.46 1. Incertidumbres de Bomba 1 a 2300 RPM y Bomba 2 a 2500RPM Bomba Q Hadm Hdes N–1 L/s m m 0.90 -0.5 25.71 7.5 22. Incertidumbres de Bomba 1 a 2600 RPM y Bomba 2 a 3000RPM Anexo C .46 2600 1.5 22.92 1.0 25.46 1.60 4.5 22.5 25.15 13.46 RPM 2.80 12. 5.92 RPM 1.46 3.5 22.92 1.60 6.46 3.80 -0.60 3.0 25. 2 2600 RPM 1 2300 RPM 0.4 0. Rendimiento vs Caudal para Bomba 1 . 30 25 2500 RPM Altura total (m) 20 2300 RPM 15 2600 RPM 10 5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Caudal (L/s) Gráfica 1.6 1.2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Caudal (L/s) Gráfica 2.8 0. Altura total vs Caudal para Bomba 1 2 1.6 0.8 1.4 2500 RPM Rendimiento (%) 1. 5 0 0 0. Potencia vs Caudal para Bomba 1 3.5 1 1. Altura total vs Caudal para Bomba 2 .5 -0.5 3 2. 1000 900 800 700 2500 RPM Potencia (W) 600 2300 RPM 500 2600 RPM 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Caudal (L/s) Gráfica 3.5 Caudal (L/s) Gráfica 4.5 3000 RPM 1 0.5 1800 RPM Altura total (m) 2 2500 RPM 1.5 2 2. 5 Caudal (L/s) Gráfica 8. Rendimiento vs Caudal para Bomba 2 350 300 250 1800 RPM Potencia (W) 200 2500 RPM 150 3000 RPM 100 50 0 0 0.05 -0.5 -0.25 0.5 1 1. 0.5 2 2.1 Caudal (L/s) Gráfica 5.3 0. Potencia vs Caudal para Bomba 2 .05 0 0 0.1 0.5 1 1.15 2500 RPM 3000 RPM 0.2 1800 RPM Rendimiento (%) 0.5 2 2.