1 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI, Equipo Rojo, Ing. Química

PRÁCTICA #5

“Curvas Características de una Bomba”

OBJETIVO GENERAL:

Obtener experimentalmente la curva característica para una bomba que relacione altura y

caudal y comparar con curvas características teóricas para una bomba similar.

Objetivos Específicos:

- Determinar diferentes valores de caudal y potencia para una misma bomba.

- Representar los valores obtenidos en una gráfica.

- Interpretar los resultados graficados.

- Comparar los resultados teóricos con los experimentalmente obtenidos.

- Capturar evidencia visual del experimento.

MARCO TEÓRICO:

Bombeo de Líquidos y Gases.

La necesidad de bombear fluidos surge de la necesidad

de transportar éstos de un lugar a otro a través de ductos

o canales. El movimiento de un fluido a través de un

ducto o canal se logra por medio de una transferencia

de energía. Los medios comúnmente empleados para

lograr flujo en los fluidos son: gravedad,

desplazamiento, fuerza centrífuga, fuerza

electromagnética, transferencia de cantidad de

movimiento (momentum), impulso mecánico, o

combinaciones de estos seis medios básicos. Después

de la gravedad, el medio más empleado actualmente es

la fuerza centrífuga.

Capacidad.

Esta variable es expresada en las siguientes unidades. En unidades del SI, la capacidad es

expresada en metros cúbicos por hora (m3/h) tanto para líquidos como para gases. En

unidades usuales en Estados Unidos se expresa en galones por minuto (gal/min) para

líquidos y en pies cúbicos por minuto (ft3/min) para gases. En vista de que todas éstas son

unidades de volumen, cuando se quiera convertir en gasto masa, podemos emplear el peso

específico como factor de conversión. Al manejar gases, la capacidad debe estar

íntimamente relacionada con la presión y con la temperatura prevalecientes, sobre todo,

en la entrada de la máquina. Es importante hacer notar que todas las cargas están

expresadas en altura de columna del líquido en cuestión.

Carga dinámica total.

La carga dinámica total H de una bomba es la carga total de descarga hd menos la carga

total de succión hs.

La carga total de succión es la lectura hgs de un manómetro en la brida de succión

de una bomba (corregido para que esté acorde con la línea central de la bomba) más la

lectura barométrica y la carga de velocidad hvs en el punto de colocación del medidor:

ℎ𝑠 = ℎ𝑔𝑠 + 𝑎𝑡𝑚 + ℎ𝑣𝑠

Figura 1 Bomba sumergible utilizada.

2 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI, Equipo Rojo, Ing. Química INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI, Equipo Rojo, Ing. Química

La carga o presión total de descarga hd es la lectura hgd de un medidor en el

extremo de descarga de una bomba (corregida al eje de la bomba) más la lectura

barométrica, más la carga de velocidad hvd en el punto de fijación del medidor:

ℎ𝑑 = ℎ𝑔𝑑 + 𝑎𝑡𝑚 + ℎ𝑣𝑑

Bombas Centrífugas.

La bomba centrífuga es el tipo que se utiliza más en la industria en la industria química

para transferir líquidos de todos los tipos –materias primas, materiales de fabricación y

productos acabados-, así como también para los servicios generales de abastecimiento de

agua, alimentación a los quemadores, circulación de condensadores, regreso de

condensado, etc. Éstas bombas están disponibles en una variedad amplia de tamaños, en

capacidades de 0.5 m3/h a 2x104 m3/h (2 gal/min a 105 gal/min), y para cargas de descarga

(presiones) desde unos cuantos metros a aproximadamente 48 MPa (7000 lbf/in2). El

tamaño y el tipo más adecuado para una aplicación dada sólo se pueden determinar

mediante un estudio de ingeniería del problema.

Las ventajas primordiales de una bomba centrífuga son la sencillez, el bajo costo

inicial, el flujo uniforme (sin pulsaciones), el pequeño espacio necesario para su

instalación, los costos bajos de mantenimiento, el funcionamiento silencioso y su

capacidad de adaptación para su empleo con unidad motriz de motor eléctrico o de

turbina.

Una bomba centrífuga, en su forma más simple, consiste en un impulsor que gira

dentro de una carcasa. El impulsor consta de cierta cantidad de hojas, ya sea abiertas o

resguardadas, montadas sobre un árbol o eje que se proyecta al exterior de la carcasa. Los

impulsores pueden tener ejes de rotación horizontales o verticales, para adaptarse al

trabajo que se vaya a realizar. Por lo común, los impulsores resguardados o de tipo cerrado

suelen ser más eficientes. Los impulsores del tipo abierto o semiabierto se emplean para

líquidos viscosos o que contengan materiales sólidos, así como también en muchas

bombas pequeñas, para servicios generales. Los impulsores pueden ser del tipo de succión

simple o doble, simple si el líquido entra por un lado, doble, si entra por los dos lados.

En la figura 2 se muestra una curva típica de una bomba centrífuga. Es importante

observar que, a cualquier velocidad fija, la bomba funcionará a lo largo de esta curva y

no en otros puntos. Por ejemplo, sobre la curva que se muestra, a 45.4 m3/h (200 gal/min),

la bomba generará una carga de 26.5 m (87 ft). Si se hace aumentar la carga a 30.48 m

(100 ft), la salida será de 27.25 m3/h (120 gal/min) con una carga de 26.5m (87 ft) a menos

que se acelere la descarga de modo que se genere en realidad al interior de la bomba una

carga de 30.48 m (100 ft). En las bombas con impulsores de velocidad variable, como las

de turbina de vapor, es posible modificar la curva característica, como se muestra en la

figura 3.

Figura 2 Curva característica de una bomba centrífuga Figura 3 Curva característica de una bomba centrífuga a

operando a una velocidad constante de 3450 rpm. varias velocidades.

3 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI, Equipo Rojo, Ing. Química

Resulta importante recordar que la carga o presión producida será la misma para

cualquier líquido limpio de la misma viscosidad. No obstante, el aumento de presión

variará en proporción con la densidad relativa. Las viscosidades de menos de 50 kPa∙s

(50 centipoises) no afectan materialmente la carga.

Curvas Características de una Bomba.

Las representaciones gráficas de la carga real, el consumo total de potencial y el

rendimiento, frente a la velocidad volumétrica de flujo, reciben el nombre de curvas

características de una bomba. Tales curvas se representan esquemáticamente en la figura

4. En la figura 4a la relación entre la carga teórica y la velocidad de flujo (generalmente

llamada «carga-capacidad») es una línea recta, de acuerdo con las ecuaciones, la carga

real desarrollada es considerablemente menor y cae bruscamente hacia cero a medida que

la velocidad aumenta hasta un cierto valor en cualquier bomba dada. Esto recibe el

nombre de velocidad de flujo a carga cero, y representa el flujo máximo que puede

producir la bomba en cualesquiera condiciones. La velocidad de flujo óptima de

operación, es, por supuesto, menor que ésta.

Figura 4 Curvas características de una bomba centrífuga: (a) carga-capacidad; (b) potencia; (c) rendimiento.

La diferencia entre las curvas teórica y real se debe esencialmente al flujo

circulatorio. Otros factores que contribuyen a la pérdida de carga son la fricción del fluido

en los conductos y canales de la bomba y a las pérdidas de choque debidas al cambio

brusco de dirección del líquido que sale del rodete, así como a la unión dela corriente de

líquido que circula circunferencialmente alrededor de la carcasa. La fricción adquiere el

valor más elevado para la máxima velocidad de flujo; las pérdidas de choque son mínimas

para las condiciones de operación estipuladas para la bomba y aumentan al aumentar o

disminuir el valor especificado.

MATERIALES:

- Agua.

- 1 bomba sumergible.

- 2 recipientes azules.

- 1 vaso de precipitados de 4 lt.

- 1 manguera transparente.

- 5 soportes universales.

- 5 pinzas para soporte universal.

- Regla.

- Cronómetro.

4 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI, Equipo Rojo, Ing. Química INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI, Equipo Rojo, Ing. Química

PROCEDIMIENTO:

1. Pedir y limpiar adecuadamente el material a utilizar.

2. Conectar y acomodar de forma conveniente el material (la bomba en un recipiente

azul, la salida de la bomba conectada con una manguera hasta llegar al vaso de

precipitados, sostenida por los soportes universales).

3. Determinar la altura a la que se querrá llegar en el vaso de precipitado de 4 litros

para obtener el caudal.

4. Medir la diferencia de alturas entre la bomba y la salida del agua por la manguera.

5. Conectar a la corriente la bomba.

6. Tomar el tiempo en el que se llena el vaso de precipitados hasta la altura deseada

y obtener caudal y velocidad con ello.

7. Devolver el agua depositada en el vaso de precipitados al recipiente de la bomba

para no generar tanto gasto de agua.

8. Para modificar la altura, disponer la salida de la manguera más arriba de la altura

de la bomba.

9. Capturar los datos obtenidos y comparar los resultados de flujo y altura.

10. Repetir los pasos 5, 6, 7, 8 y 9 tantas veces como sea necesario.

11. Comparar teórica y gráficamente la relación entre el flujo proporcionado por la

bomba y la diferencia de alturas.

12. Desmontar, limpiar y entregar el material.

Figura 5 Altura inicial de las mediciones.

5 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI, Equipo Rojo, Ing. Química

Figura 6 Realizando una medición.

Figura 7 Realizando medición a una altura mayor.

6 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI, Equipo Rojo, Ing. Química INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI, Equipo Rojo, Ing. Química

Figura 8 Medición a la mayor elevación de la manguera.

CÁLCULOS Y RESULTADOS:

Se realizaron trece intentos en los que se midió el tiempo en el que se llenó un volumen

de un litro en un vaso de precipitados y se obtuvo el flujo volumétrico, además, se midió

la diferencia de altura en columnas de agua entre la salida de agua de la bomba y la salida

de agua de la manguera. Se obtuvieron los siguientes resultados:

Intento Volumen

(m3)

Tiempo

(s)

Flujo

Volumétrico

(m3/s)

Altura

Salida

Bomba

(m)

Altura

Salida

Manguera

(m)

hA (m)

1 0.001 2.34 4.27x10-4 0.132 0.14 0.008

2 0.001 2.14 4.67x10-4 0.132 0.14 0.008

3 0.001 2.77 3.61x10-4 0.132 0.236 0.104

4 0.001 2.76 3.62x10-4 0.132 0.236 0.104

5 0.001 2.62 3.81x10-4 0.132 0.267 0.135

6 0.001 2.42 4.13x10-4 0.132 0.267 0.135

7 0.001 2.46 4.06x10-4 0.132 0.267 0.135

8 0.001 3.14 3.18x10-4 0.132 0.434 0.302

9 0.001 3.25 3.07x10-4 0.132 0.434 0.302

10 0.001 2.6 3.84x10-4 0.132 0.54 0.408

11 0.001 3.21 3.11x10-4 0.132 0.54 0.408

12 0.001 2.65 3.77x10-4 0.132 0.54 0.408

13 0.001 3.48 2.87x10-4 0.132 0.54 0.408

7 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI, Equipo Rojo, Ing. Química

ANÁLISIS:

Si hacemos un promedio para cada altura y graficamos nos quedará una gráfica como

esta:

Podemos observar que para la altura hA de 0.104m parece haber un error ya que ésta

medición es la que difiere mayormente de la curva normal que debería llevar la gráfica,

aumentando el caudal a medida que disminuye la diferencia de alturas. Si consideramos

que es un dato erróneo y eliminamos este valor se obtiene ésta gráfica:

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

2,0

0E-

04

3,0

0E-

04

4,0

0E-

04

5,0

0E-

04

6,0

0E-

04

Alt

ura

hA

(m

)

Caudal (m3/s)

Curva Característica de la BombaSumergible

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

2,0

0E-

04

3,0

0E-

04

4,0

0E-

04

5,0

0E-

04

6,0

0E-

04

Alt

ura

hA

(m

)

Caudal (m3/s)

Curva Característica de la BombaSumergible

8 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI, Equipo Rojo, Ing. Química INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI, Equipo Rojo, Ing. Química

La curva ya se torna con una forma más normal, habiendo una ligera variación en la

diferencia de alturas de 0.302m, pero los resultados ya concordaron mucho mejor con lo

teóricamente estudiado. Las variaciones encontradas entre la curva real y la curva teórica

pueden ser debidas a que las pérdidas por fricción con la manguera no están siendo

tomadas en cuenta, y son considerables debido a que se está utilizando el flujo máximo.

OBSERVACIONES:

Ésta práctica se tuvo que realizar en dos ocasiones debido a que en la primera realización

de la misma, los datos obtenidos mostraron una gráfica como ésta:

Se puede observar que no se acerca nada a los resultados esperados, asumiendo nosotros

que se debió a que, al momento de aumentar la altura de la manguera, la dejábamos de

forma horizontal en todo momento (aumentando la altura de forma equitativa en todos

los soportes universales), como se observa en la figura 9, en lugar de modificar la altura

en forma de diagonal. Por ende, la bomba solo tendría que elevar el flujo de agua al inicio

y se mantendría constante a lo largo de todo el trayecto de la manguera, generando un

mayor esfuerzo inicial pero no durante el recorrido.

9 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI, Equipo Rojo, Ing. Química

Figura 9 Manguera dispuesta de forma horizontal.

Para la repetición de la práctica, por cuestión de evitar complicaciones, no se

utilizó la misma bomba, se utilizó una bomba totalmente sumergible que al tener mayor

potencia, generaba un flujo de agua mayor. Pudo haber errores groseros al momento de

leer el volumen en el vaso de precipitados por la elevada turbulencia que generaba la

bomba.

FUENTES DE INFORMACIÓN:

- McCabe, Warren. (1991). Operaciones Unitarias en Ingeniería Química.

Editorial McGraw-Hill. Cuarta Edición. España. Pág. 210-211.

- Perry, Robert. (2001). Manual del Ingeniero Químico. Editorial McGraw-Hill.

Sexta Edición. México. Págs. 6-4 a 6-9.