Facultad de Ciencias Curso de Operaciones Unitarias.






Laboratorio Ns2:
Curvas Características de Electrobomba








Índice
1. Resumen …………………………………………………………………3

2. Objetivos…………………………………………………………………3

3. Teoría…………………………………………………………………….3

4. Procedimiento Experimental……………………………………………..5

5. Aparatos y Accesorios………………………………………………….5

6. Datos……………………………………………………………………6

7. Resultados………………………………………………………………7

8. Discusión………………………………………………………………….11

9. Conclusiones………………………………………………………………12

10. Bibliografía………………………………………………………………..13

11. Apéndices………………………………………………………………….14






















1. Resumen

En este trabajo se determinaron las curvas características de una electrobomba, para lo cual se realizaron 13 mediciones de presión de succión en el vacuómetro (desde los 99607 a 101604,8 [Pa]), presión de descarga manómetro (desde los 101325 a 371325 [Pa]) y potencia suministrada al motor de la electrobomba (desde los 0,26 a 0,43 [KW]). Estas medidas se realizaron desde caudales grandes a pequeños (desde 35 a 8 [L/min]), para lo cual se fue cerrando ligeramente la válvula Ns 2 ubicada al final de la tubería de descarga, tomando en cuenta la lectura más estable del caudal. Estas mediciones se realizaron hasta que se alcanzó el mínimo caudal estable en el rotámetro.
Se encontróque la pérdida de carga por fricción y singularidades va desde los 0 [bar] para los mayores caudales a 0,00399 [bar] para caudales menores.

2. Objetivos
El objetivo de la práctica es obtener curvas características para una bomba accionada por un motor eléctrico (electrobomba) en base a mediciones experimentales de sus parámetros de operación.
Determinar las siguientes curvas características de la electrobomba y graficarlas.
Curva de altura en función del caudal (H v/s. Q).
Curva de potencia desarrollada en función del caudal (KW v/s. Q).
Curva de eficiencia en función del caudal (ε v/s. Q).
Obtener la perdida de carga del sistema
3. Teoría

Una Bomba es esencialmente un equipo usado para proporcionar energía a un líquido con la finalidad de superar las pérdidas por fricción que habitualmente ocurren en un sistema de transferencia de líquidos y trasladar al líquido a un punto más lejano y/o de mayor elevación. Las bombas son múltiples y de diversas aplicaciones en el campo industrial, por lo que se vuelve de suma importancia conocer sus bases de funcionamiento y sus características de operación. Las bombas rotodinámicas se clasifican de acuerdo a la forma de sus rotores (impulsores) en bombas de tipo centrifugas, de flujo axial y bombas de flujo mixto. La utilizada es del tipo centrifuga, la cual se caracteriza por un flujo radial que presenta una presión relativamente alta a un caudal bajo.
En la actualidad existe una amplia oferta de los fabricantes de diversos modelos, lo que presenta una alta posibilidad de seleccionar una unidad que se adapte a una necesidad específica, alcanzando una eficiencia muy cercana a la máxima. Es fundamental que al momento de seleccionar el modelo existan para cada bomba, curvas queproporcionan información sobre la relación caudal-altura de presión, potencia y eficiencia, denominadas curvas características y así analizar la información que proporcionan evaluando su eficiencia al operar el caudal y altura o carga total, para finalmente lograr la selección de la bomba más apropiada en determinadas condiciones de trabajo.

La potencia desarrollada por la bomba se puede determinar conociendo el caudal (Q) y densidad del líquido junto a la altura (H), desarrollando la siguiente ecuación
(1)
En el cual:
H = altura total [m]
Q = caudal [m3/h]
ρ = densidad del líquido

Pero la altura se puede determinar mediante la ecuación:

(2)

Al calcular la potencia desarrollada y medir experimentalmente la potencia suministrada se puede determinar la eficiencia de la bomba (ε) expresada en porcentaje mediante la siguiente fórmula:

(3)

Al circular el agua por una tubería, dado que lleva una cierta velocidad que es energía cinética, al rozar  con las paredes de las tuberías pierde parte de la velocidad por la fricción que se produce entre el material líquido contra el sólido de las paredes.  En tanto mayor es la velocidad mayor será el roce. También se ocasiona gran pérdida de carga por fricción, por múltiples singularidades tales como coplas, codos, conectores, uniones americanas. Para calcular esta pérdida de carga por fricción se utiliza la siguiente ecuación:

(4)

Donde:
Hf = pérdida de carga por fricción y singularidades [bar]
Q = caudal [L/min]
L = longitud de la tubería [m]
Le = suma de las longitudes equivalentes de las singularidades [m]
C = coeficiente de Hazen& Williams (C=150 para PVC)
D = diámetro interno de la tubería [mm]


La longitud equivalente corresponde, conceptualmente, a la longitud de una tubería de igual diámetro y material que la singularidad que a idéntico flujo genera por fricción una pérdida de carga equivalente.

Por otra parte es importante recordar que se debe considerar la presión absoluta, la cual consiste en
(5)

4. Procedimientos Experimental

1. Se verificó que todas la válvulas estuviesen abiertas
2. Se verificó la lectura del vacuómetro y manómetro estuviese en cero.
3. Se prendió la bomba mediante su interruptor
4. Se realizó 13 mediciones con caudales diferentes como resultado del cierre de la válvula 2
5. En estas medidas se registró el caudal mostrado en el rotámetro, la presión de succión, la presión de descarga y la potencia suministrada.
6. Se tomó la medida de las longitudes de las tuberías, numerando todos los accesorios existentes en el circuito



5. Aparatos y Accesorios

5.1 Material de Trabajo

Huincha de medir
Lápiz
Guía
sistema de electrobomba

El sistema de electrobomba está compuesto por 368cm de tubo de PVC del tipo C10 con 32 mm de diámetro nominal. El cual consta de un estanque de agua, tres válvulas compuestas, un rotámetro, un manómetro, un vacuómetro y con los respectivos accesorios mostrados en la tabla Ns3 organizado como se esquematiza la figura I:

Figura I: Equipo medidor de la placa orificio.

El rotámetro es un medidor de caudal que consta de un tubo transparente situado en posición vertical conectado en la tubería por la que circula el líquido en sentido ascendente. Dentro del tubo hay un flotador que alcanza una altura determinada ascendiendo o descendiendo según varíe el flujo. En el tubo seencuentra grabada una escala que permite medir el caudal considerando la parte superior del flotador como referencia.

6. Datos

Tabla Ns1: Registro de las mediciones realizadas.
Numero de medición
Caudal (L/min)
Presión de succión (pulgadas de Hg)
Presión de descarga (bar)
Potencia suministrada (KW)
1
35
0
0
0,26
2
33
0
0
0,27
3
30
0
0,20
0,28
4
27
~0
0,55
0,30
5
25
0,5
0,90
0,30
6
23
0,4
1,15
0,31
7
21
0,5
1,40
0,33
8
19
0,5
1,5
0,34
9
17
0,5
1,8
0,35
10
15
0,6
2,0
0,37
11
13
0,6
2,2
0,38
12
11
0,6
2,4
0,40
13
8
0,6
2,7
0,43
Tabla Ns2: Ficha técnica
Bomba
Tipo
:
Centrifuga

Marca
:
PEDROLLO

Modelo
:
PKMBO
Datos de la placa
Q máx
:
5÷40 L/min

Tensión
:
220÷230

H máx
:
40m

Potencia máx
:
550 W

Potencia (HP)
:
0,5


Tabla Ns3: Número de accesorios en el sistema

Datos:
Longitud equivalente
(pies)
Longitud equivalente total (metros)
Accesorio
Cantidad(unidades)


Válvula de tipo compuerta
(toda abierta)
2
1
0,6096
Codo angular
10
10
30,48
Conexión de entrada
11
*
-
Copla
2
*
-
Unión americana
3
*
-
Pasada estanque
(embocadura ordinaria)
1
2,75
0,8382


7. Resultados

Al tener la tabla de datos lo primero que se realizó fue transformar el caudal de unidades [L/min] a [L/h] y [m3/h].
Luego se determinó la presión absoluta a través de la ecuación (5) tanto para la presión de succión, como para la presión de descarga.
En seguida se transformó las unidades de la presión de succión de [pulg de Hg] a [mcHg] y de la presión de descarga de [bar] a [Pa].
Conociendo la densidad del mercurio, presión (altura) expresada como [mcHg] y la densidad del agua por regla simple se pudo determinar la presión del agua (altura)expresada en [mcH2O]. Inmediatamente se transformó las unidades de la altura de agua de [mcH2O] en [Pa].
Con todos estos datos, mediante la ecuación (2), se pudo calcular la altura en [m].



TablaNs caudal, presión absoluta de succión y descarga, altura.

Caudal
presión absoluta de succión
presión absoluta de descarga
altura
L/h
m3/h
pulg.de Hg
m.c.Hg
m.c.H20
Pa (N/m2)
bar
Pa(N/m2)
m









2100
2,1
29,92
0,748
10,15712
99607,33968
1,01325
101325
0,175
1980
1,98
29,92
0,748
10,15712
99607,33968
1,01325
101325
0,175
1800
1,8
29,92
0,748
10,15712
99607,33968
1,21325
121325
2,216
1620
1,62
29,92
0,748
10,15712
99607,33968
1,56325
156325
5,787
1500
1,5
30,42
0,7605
10,32686
101271,9008
1,91325
191325
9,189
1380
1,38
30,32
0,758
10,29291
100938,9886
2,16325
216325
11,774
1260
1,26
30,42
0,7605
10,32686
101271,9008
2,41325
241325
14,291
1140
1,14
30,42
0,7605
10,32686
101271,9008
2,51325
251325
15,311
1020
1,02
30,42
0,7605
10,32686
101271,9008
2,81325
281325
18,372
900
0,9
30,52
0,763
10,36081
101604,8131
3,01325
301325
20,379
780
0,78
30,52
0,763
10,36081
101604,8131
3,21325
321325
22,461
660
0,66
30,52
0,763
10,36081
101604,8131
3,41325
341325
24,461
480
0,48
30,52
0,763
10,36081
101604,8131
3,71325
371325
27,522


Así mediante los datos obtenidos en la tabla anterior es que se realiza el cálculo de altura en función de caudal.

Figura II: Gráfica de la altura(H) en función del Caudal .

Luego mediante la ecuación (1) se puede determinar la potencia desarrollada de la siguiente forma (ejemplo).





Luego mediante la ecuación (3) se puede calcular la eficiencia de la siguiente forma=0,38574

Finalmente con la ecuación (4) se pudo calcular la pérdida de craga por fricción y singularidades de la siguiente forma





Tabla Ns5: valores calculados de potencia desarrollada, eficiencia y pérdida de carga por fricción y singularidades (Hf)
potencia desarrollada
[KW]
Eficiencia
(ԑ)
Hf
[bar]
0,001
0,38574
0,06118
9,46E-04
0,35022
0,05487
0,01087
3,88182
0,046
0,02555
8,51569
0,03785
0,03756
12,5192
0,03283
0,04427
14,28165
0,02814
0,04906
14,86816
0,02378
0,04756
13,98875
0,01976
0,05106
14,58951
0,01608
0,04998
13,50736
0,01276
0,04765
12,53975
0,00979
0,04399
10,99756
0,00719
0,036
8,37132
0,00399


Conociendo los valores de potencial desarrollada se puede graficar en función del caudal.


Figura III: Gráfica de la potencia desarrollada en función del Caudal.

Con los valores de eficiencia de la tabla Ns5 se puede graficar en función del caudal.


Figura IV: Grafica de eficiencia en función del Caudal.

Luego con los valores de la pérdida de carga se puede graficar en función del caudal.


Figura V: Gráfica de pérdida de carga por fricción y singularidades en función del caudal



8. Discusión

Al analizar la figura II donde se muestra el gráfico de altura (H) en función del caudal (Q), se observa que es una relación lineal, pero inversamente proporcional. Esto se debe a que a medida que tenemos el máximo caudal de la tubería (Ej: 35 L/min) la diferencia de la presión de succión y descarga es menor (H=0). En la medida que registramos menores caudales se muestra un aumento de la diferencia de presión, mostrada como la altura (H) llegando aún caudal mínimo de 8 L/min con una altura correspondiente de 27 metros.

Por otra parte en la figura III donde se muestra elgráfico de potencia desarrollada en función del caudal (Q), se observa que la potencia comienza a decaer a caudales mayores a 1 m3/h, ya que en la medida que el caudal es menor, el agua es impulsada con más velocidad a través de espacios pequeños logrando una potencia desarrollada más alta que aquellos caudales mayores, que al no tener un obstáculo mayor generan menores potencias desarrolladas.

Si se concentra el análisis en la eficiencia de la bomba centrífuga mostrada en la figura IV donde está el gráfico de eficiencia (ε) en función del caudal (Q), se observa que la eficiencia de la bomba posee un rango que va desde el 1 m3/h a 1,4 m3/h donde obtiene su optima eficiencia. Si se logran caudales menores a este rango, su eficiencia disminuye ya que la bomba necesita hacer un mayor gasto en la potencia suministrada en comparación con la potencia desarrollada. Lo mismo ocurre en caudales mayores a 1 m3/h mostrando una eficiencia menor.

En la figura V de pérdida de carga en función del caudal se puede observar que a mayores caudales la pérdida por carga es mayor, esto es evidente ya que si se transporta más agua por el tubo, habrá más oportunidad de pérdida por fricción debido al roce del agua con las paredes del tubo, y también habrá más oportunidades de choque del agua con las singularidades (codos). Los accesorios o singularidades provocan perdida de energía por fricción, esto depende del tipo de singularidad y de su calidad. Esto también afecta en la eficiencia de la bomba, ya que si el sistema de bombeo contiene singularidades que generan mucha pérdida de energía por fricción, la bomba será sobre exigida ya que tendrá que generar mucha potencia para bombear el líquido, lo cual provocara una disminución de la eficiencia.

Por último esimportante destacar que si bien la perdidas por fricción calculadas son una buena aproximación a este sistema mostrando la tendencia de esta con el caudal. Los valores se encuentran sesgados debido que no se incluyó las longitudes equivalente del rotámetro, uniones americanas y conectores. Lo anterior debido a falta de información exacta sobre los valores.


9. Conclusiones

Se logró determinar las diferentes curvas características para una bomba accionada por un motor eléctrico (electrobomba) en base a mediciones experimentales de sus parámetros de operación.
A partir de la curva de altura en función del caudal (H v/s. Q) se encontró que a mayor caudal la altura (H) que es una diferencia de presiones es menor
Con la curva de potencia desarrollada en función del caudal (KW v/s. Q) se determinó que la potencia desarrollada disminuye con el aumento del caudal.
mediante la curva de eficiencia en función del caudal (ε v/s. Q) se observó que el mayor rango de eficiencia se presenta entre 1 m3/h y 1,4 m3/h
Con la curva de pérdida de carga en función del caudal se determinó que la pérdida va desde los 0,06118 [bar] para el mayor caudal a 0,00399 [bar] para el menor caudal.



10. Bibliografía



https://www.slideshare.net/agualan/bombas-en-sistemas-de-tuberas Visitada por ultima vez el día 19 de abril del 2013 a las 22:00 horas.


https://www.miliarium.com/Prontuario/MedioAmbiente/Aguas/PerdidaCarga.asp Visitada por última vez el día 23 de abril del 2013 a las 18:50.

Problemas de ingeniería quimia operaciones básicas. J.Ocon y G.Tojo. (Tomo I) Pag.14








































11. Apéndices

Apéndice Ns1: Longitud equivalente de singularidades según el diámetro del tubo