Medición de potencia en bombas de laboratorio

UNIVERSIDAD CATOLICA BOLIVIANA “SAN PABLO”

UNIDAD ACADÉMICA REGIONAL COCHABAMBA

Departamento de Ciencias Exactas e Ingeniería

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Laboratorio de Procesos Unitarios II

Medición de potencia de bombas en el laboratorio de procesos

Dunkan Gerson Alcocer Fernandez  

Leonardo Fanor Claure Garcia

Karoll Micaela Gonzales Salamanca

Araceli Zurita Santillán

Cochabamba – Bolivia

Marzo Del 2019

1. Introducción

En la presente experiencia de laboratorio se requiere calcular la potencia de las bombas del laboratorio de procesos unitarios II, para la cual se requirió de mediciones de la distancia de  los tubos así como también sus diámetros, estos tubos son las conexiones entre tanques que gracias a las bombas pueden ser transportado el fluido de los tubos de un punto a otro para realizar un proceso.

Además de medir longitudes es muy necesario tomar en cuenta todas las fricciones, cómo ser las internas por rozamiento y las que son provocadas por los accesorios (codos, válvulas, medidores, etc.).

Para poder realizar dicho cálculo en necesario realizar un balance de energía mecánica del cual se deben hacer ciertas suposiciones, como en el caso de que el diámetro no cambie de un punto a otro la diferencia de velocidades se hará cero porque dicho diámetro no cambia, en caso de que los tanques estén a presión atmosférica, el cambio de presión se hará cero, ahí tenemos otro término del balance de energía mecánica eliminado, lo cual restaría realizar el cambio de alturas de un punto a otro, para lo cual se debe tener una referencia, para la presente práctica se tomó como referencia el suelo. Para él último término a analizar, es la sumatoria de fricciones que básicamente consiste en la suma aritmética de la pérdida por rozamiento interno del tubo al interior y la sumas por pérdidas en accesorios, para la primera fricción, que es por rozamiento se debe realizar un análisis en el cual debemos obtener el factor de fanning del cual se obtiene de la gráfica Moody, obtenida en la figura 2.10-3 del libro base “Procesos de transporte y principios de procesos de separación” del autor Christie John Geankoplis, para la obtención de este factor primeramente se debe obtener un número adimensional “Reynolds” del cual depende de 4 variables: densidad, velocidad, diámetro y viscosidad, donde todas se hallan a través de un caudal volumétrico y una cierta temperatura, para la segunda parte de friccion , qué son las de los accesorios, se debe tomar en cuenta qué accesorios se tiene y qué cantidad, para buscar sus coeficientes en la tabla 2.10-1 y poner hacer el cálculo de cada uno.

Finalmente se despeja el trabajo mecánico que la bomba suministra al fluido y para poder encontrar la potencia que la bomba ejerce, es necesario conocer la eficiencia de la bomba, la cual se obtiene del catálogo del modelo de la marca y modelo de la bomba.

1. Objetivos

• Calcular la potencia de las cuatro bombas en el Laboratorio de Procesos Unitarios.
• Saber tomar medidas de z1 y z2, longitud total de tubería, de accesorios en la ecuación de Balance de Energía Mecánica.

1. Marco Teórico

El desplazamiento de fluidos, líquidos o gases (en ocasiones incluso con sólidos en suspensión) se desarrolla normalmente en sistemas de flujo, más o menos largos y complejos que implican conducciones rectas, generalmente cilíndricas de diámetros variados, enlazadas por uniones convenientes, curvaturas, codos, válvulas, etc. A través de estos sistemas el fluido sólo fluye espontáneamente si su energía total disminuye en la dirección del flujo. De no ser así, habrá que comunicarle energía desde el exterior mediante dispositivos tales como bombas, en el caso de líquidos, o compresores, soplantes o ventiladores, en el caso de gases. Tal aporte de energía puede invertirse en aumentar la velocidad, la altura o la presión del fluido. La cuantía de la energía que deberá suministrarse a un fluido para conseguir su desplazamiento por un sistema determinado dependerá de su caudal, de la altura a que deba elevarse, de la presión con que se requiera al final de su recorrido, de las longitudes y diámetros de los tramos rectos de conducción, de los accidentes (ensanchamientos, estrechamientos, curvaturas válvulas, codos, etc.) intercalados entre ellos y de sus propiedades físicas, fundamentalmente su viscosidad y su densidad. La ecuación de Bernoulli:

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aplicada a los extremos del sistema de que se trate permitirá el cálculo de la energía (W) que debe comunicarse a la unidad de masa del fluido circulante. Con ella y el caudal másico de flujo que se desee (m) se obtiene la potencia teórica necesaria para el flujo deseado:

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Son muy variados los tipos de flujos y fluidos que pueden presentarse, aunque fundamentalmente puede dividirse en flujo de líquidos (incompresibles) y flujo de gases (compresibles, aunque si la variación de presión es baja pueden considerarse incompresibles). A modo de ejemplo se citará entre los primeros: bombeo de productos petrolíferos como crudos, gasolinas, naftas, gasóleos, etc. servicios de agua para calefacción o enfriamiento en cambiadores de calor, servicios agua potable y alcantarillado en las grandes ciudades; bombeo de ácidos, álcalis y toda clase de productos químicos desde sus depósitos almacén hasta las unidades en que se requieran, etc. En cuando a los gases, podemos citar el flujo de gas natural a grandes distancias; servicios de gas propano, de aire comprimido, etc. A su vez, los fluidos pueden ser gases o líquidos poco viscosos, líquidos de elevada viscosidad, newtonianos o no, con o sin sólidos en suspensión, corrosivos o inertes, etc. En el presente tema, se abordará la descripción y funcionamiento de los distintos equipos utilizados para la impulsión de líquidos y gases de forma separada, no sólo por su distinto comportamiento de compresibilidad, sino porque sus grandes diferencias de densidad y viscosidad requieren que las respectivas máquinas impulsoras tengan características distintas. A modo de ejemplo, baste decir que los equipos para gases deberán tener mayor precisión en el diseño para evitar fugas, que se producen con mucha mayor facilidad que en el caso de los líquidos. También podría decirse que en el caso de los líquidos hay que tener presente en qué lugar se coloca la bomba para evitar problemas de cavitación, circunstancia que no se produce en los gases.  

En Ingeniería Química normalmente el balance de energía mecánica entre dos puntos se expresa mediante la ecuación de Bernoulli en unidades de energía por unidad de masa (J/kg). Sin embargo, en Ingeniería Civil la ecuación de Bernoulli suele expresarse en unidades de energía por unidad de peso, teniendo el mismo significado físico. De esta forma la ecuación de Bernoulli se obtiene dividiendo ambos términos por la aceleración de la gravedad g, teniendo unidades de J/N, que dimensionalmente es equivalente a longitud (m). De esta forma, los distintos sumandos de la ecuación de Bernoulli se les denominan cargas o alturas. Considerando que los líquidos son incompresibles, la ecuación resultante queda de la forma:

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y se le denomina altura proporcionada por la bomba, mientras que el término F/g se le suele denominar pérdida de carga. Dado que la circulación de líquidos es mucho más importante en áreas de Ingeniería Civil (por ejemplo, redes distribución de aguas potables, riego y residuales), la bibliografía y los fabricantes de bombas utilizan exclusivamente la ecuación de Bernoulli expresada en m (ec. 2.1), por lo que en este tema los balances de energía mecánica se abordarán generalmente de esta forma. Previamente a la descripción de los distintos equipos impulsores de líquidos, se verán algunas consideraciones.

Una vez determinado el punto de instalación, para calcular la potencia que debe comunicar al fluido, se aplica un balance de energía mecánica entre los puntos 1 y 2. La ecuación (1.1) puede escribirse como:

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de donde se deduce el valor de W: energía por unidad de masa (J/kg) que precisa el líquido. La potencia que debe suministrar la bomba al fluido se calcula mediante la ecuación (1.2). Sin embargo, la potencia real que consuma la bomba será mayor porque al comunicar esta energía al fluido en las partes móviles de la bomba se pierde energía; también hay una pérdida al comunicar el motor eléctrico energía a las partes móviles y asimismo el motor no aprovecha toda la energía que consume de la red. De aquí que el consumo real de energía es bastante superior al que se ha deducido de la ecuación anterior (al que se denomina "teórico"). Para calcular la potencia real que se va a consumir es necesario conocer el rendimiento total de la bomba y el del motor eléctrico que la impulsa, de forma que se hacen las siguientes definiciones:

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En ocasiones, los fabricantes proporcionan los rendimientos totales de las bombas, que es el que interesa para el cálculo de la potencia real de la bomba:

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Sin embargo, es frecuente que el fabricante de bombas proporcione únicamente el rendimiento de la bomba, ya que no suministra la misma con un motor dado, y se les puede acoplar distintos motores. Lo que no es frecuente es que el fabricante proporcione separadamente el rendimiento mecánico y el rendimiento hidráulico.

Bombas de desplazamiento positivo o volumétricas En este tipo de bombas, el caudal de salida dependerá solamente del tamaño de la bomba, su diseño, y será independiente de las características del sistema en que se encuentre, ya que el caudal de líquido en cada embolada es constante al trabajar el motor a velocidad constante. Según sea el mecanismo de impulsión del líquido, se dividen en: alternativas y rotativas.

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