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TIPO DE DOCUMENTO:
Manual de operacinManual de mantenimientoManual de seguridadProcedimientoMaterial de evaluacin
Trabajo dirigidoInstructivo de trabajoGua de prcticaGua TericaOtro: _________________
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GUA DE PRCTICA DE LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I
BOMBAS EN SERIE Y PARALELO
Vlido a partir del 06 de febrero de 2011
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DISEO Y MONTAJE ORIGINAL: AUTOR:
ELABORADO POR: FAJARDO C. FECHA: MARZO 2007
REVISADO POR: COMISIN MATERIAL INSTRUCCIONAL FECHA: MARZO 2008
APROBADO POR: ANA VIDOVIC FECHA:
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INDICE
1.
OBJETIVOS
1.1.
Objetivo General
1.2.
Objetivos Especficos
1.3.
Objetivos del Informe de Sntesis
2.
PLAN DE TRABAJO
3.
REVISIN BIBLIOGRFICA
3.1.
Generalidades
3.2.
Curvas caractersticas de una Bomba Centrfuga
3.3.
Curva de demanda del sistema
3.4.
Punto de operacin
3.5.
Funcionamiento de bombas en serie
3.6.
Funcionamiento de bombas en paralelo
4.
DESCRIPCIN DE LA INSTALACIN 1
5.
MEDIDAS E IMPLEMENTOS DE SEGURIDAD 1
6.
MTODO EXPERIMENTAL 1
7.
PREINFORME 1
8.
BIBLIOGRAFA 1
Anexo 1 Datos nominales proporcionados por el fabricante de las bombas. 1
Anexo 2 Resumen de las normas ISA para el trazado de diagramas de flujo en el departamento de proceso
qumicos. 1
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1. OBJETIVOS
1.1. Objetivo General
Realizar el estudio del funcionamiento de un sistema de bombas operando en serie y en paralelo.
1.2. Objetivos Especficos
Elaborar la curva caracterstica experimental, carga en funcin del caudal, Hexp= f(Qexp), de cadbomba funcionando de forma individual.
Elaborar la curva caracterstica, carga en funcin del caudalHnom= f (Qnom), de la bomba con lo
datos nominales de carga en funcin de caudal suministrados por el fabricante.
Comparar cada curva caracterstica H=f(Q) experimental con la realizada con los datos del fabricante
Elaborar las curvas experimentales de la carga en funcin del caudal H=f(Q) para los funcionamiento
en serie y en paralelo. Comparar ambos tipos de funcionamiento.
Construir, a partir de los resultados experimentales de los funcionamientos individuales, las curvas d
la carga en funcin del caudal para los funcionamientos en serie y en paralelo. Comparar esta
curvas con las anteriores.
1.3. Objetivos del Informe de Sntesis
El grupo asignado a realizar el informe de sntesis de este trabajo prctico estudiar la reproducibilidad d
los resultados obtenidos en cada experiencia, para ello, debe cumplir con los siguientes objetivos:
Reportar en un mismo grfico los puntos experimentales obtenidos en cada experiencia para
funcionamiento individual de las bombas.
Reportar en un mismo grfico los puntos experimentales obtenidos en cada experiencia para
funcionamiento operando en serie con las bombas.
Reportar en un mismo grfico los puntos experimentales obtenidos en cada experiencia para
funcionamiento operando en paralelo con las bombas.
Estudiar la dispersin de los resultados experimentales con el uso de la desviacin estndar
comentar sobre la reproducibilidad.
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2. PLAN DE TRABAJO
En concordancia con el estudio de reproducibilidad de resultados sobre la instalacin, todos los grupo
realizarn experiencias de manera de recabar la informacin necesaria para el trazado de las curva
caractersticas ya mencionadas, tomando en cuenta las limitaciones del equipo.
3. REVISIN BIBLIOGRFICA
3.1. Generalidades
Una bomba es una mquina que transforma energa mecnica en energa hidrulica, la cual es entregad
a un lquido para que ste presente una mayor presin a la salida de la misma y pueda ser transportado hasta u
punto deseado. El motor de la bomba transforma energa elctrica en energa mecnica.
En la industria qumica se trabaja con una gran variedad de lquidos con propiedades fsicas y qumica
diferentes, al igual que las condiciones de temperaturas y presin; por lo tanto, ha sido necesario constru
diferentes tipos de bombas dependiendo de las condiciones de utilizacin. Entre estos tipos de bombas s
distinguen: las alternativas o de pistn, las rotativas o de engranajes y las centrfugas; siendo estas ltimas la
ms utilizadas, en especial, por su bajo costo.
Una bomba centrfuga est constituida, principalmente, po
un rodete con labes, que impulsan al lquido, alojado en un
carcasa. El rodete o impulsor est fijado a un eje que gira
mientras que la carcasa se mantiene fija.
El lquido entra por la tubera de succin, en donde se tien
la menor presin y sale por la tubera de descarga a una mayo
presin. En la figura 1 se representa un corte de una bomb
centrifuga con impulsor cerrado.
Figura 1: Representacin de una bomba centrfuga.
Tubera de succin
Tubera de
descarga
Carcaza
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Ventajas Desventajas
Son de bajo costo. Se obtienen presiones relativamente bajas.
Trabaja con caudal elevado y homogneo. El rendimiento es bajo si el lquido es viscoso
Se pueden utilizar con lquidos con
suspensiones.
El rendimiento es elevado slo para u
intervalo pequeo de caudal.
3.2. Curvas caractersticas de una Bomba Centrfuga
El funcionamiento de una bomba centrfuga se representa por tres curvas caractersticas, las cuales son l
carga (H), la potencia al freno (N) y el rendimiento ( ) en funcin del caudal (Q), para una velocidad de rotaci
del motor constante (n). Los fabricantes de las bombas dan estas curvas, basadas en el agua, superpuestas e
una sola hoja. En la figura 2, se muestran la forma que tiene cada una de las curvas mencionadas para un
bomba centrifuga radial, tambin se muestra el punto de mximo rendimiento (PMR), para esta bomba.
Figura 2: Curvas caractersticas de una bomba centrfuga a una velocidad de rotacin constante.
3.3. Curva de demanda del sistema
La curva de demanda del sistema es la grfica de la carga necesaria en funcin del caudal para el sistem
considerado. Es importante diferenciar esta curva de la anterior: en la curva caracterstica se grafica la carg
disponible de la bomba, la cual disminuye con el caudal; mientras que en la curva de demanda, la carga necesar
aumenta con el caudal.
PRM
H
Q(l/s)
H(m)
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La curva de demanda del sistema se construye aplicando la ecuacin de Bernoulli al sistema considerado
entre los puntos E y S, como se muestra en la figura 3, y despejando la carga necesaria para varios valores d
caudal.
Toda instalacin tiene una vlvula de regulacin de caudal; si se cambia la apertura de esta vlvula, s
estar modificando su prdida de carga y por ende tambin la curva del sistema, pudindose graficar una curv
del sistema para cada posicin de la vlvula de regulacin, en la figura 3, se tiene una curva (a) con la vlvula d
regulacin totalmente abierta y una curva (b) con la vlvula de regulacin parcialmente abierta. Se puede observa
que, a medida que se cierra la vlvula, aumenta la carga necesaria, esto se debe al aumento de la prdida d
carga.
Figura 3: Curvas de demanda del sistema para la instalacin mostrada.
3.4. Punto de operacin
Se ha visto que la curva caracterstica de una bomba proporciona la carga disponible, mientras que l
curva de demanda del sistema representa la carga necesaria; por lo tanto, el punto de operacin corresponde a l
interseccin de ambas curvas, que es cuando se igualan las dos cargas. En la figura 4 se puede observar lo
puntos operacionales para los casos considerados anteriormente, el QA corresponde al caudal de operaci
cuando el sistema tiene la vlvula de regulacin totalmente abierta, mientras que el Q Bes el caudal de operaci
cuando la vlvula est parcialmente abierta. Se puede observar que al cerrar la vlvula, evidentemente, el cauda
es menor.
ZS-
ZE
Patm
Patm
E
S
H
Z=ZS - ZE
Q
(b) Curva del sistema con
la vlvula parcialmente
abierta
H= p+ Z+f.ctte.Q2
(a) Curva del sistema co
la vlvula totalmente
abierta
H= p Z+f.ctte.Q2
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Figura 4: Obtencin grfica de los puntos de operacin.
Como se dijo al principio, una de las desventajas de las bombas centrfugas es que se obtiene u
rendimiento elevado solo para un rango pequeo de caudal, por lo tanto es importante verificar que el punto d
operacin se encuentre dentro de este rango; siendo el caudal ptimo aqul que corresponde al punto de mxim
rendimiento PMR (ver figura 5).
Figura 5: Punto de operacin (Q y H) y ptimo (Q0y H0)
QA
HA
Z
Curva caracterstica de la bomba
Vlvula totalmente abierta
Punto de operacin
HB
QB
Vlvula parcialmente abierta
H
Q
Punto de operacin
Qptimo
Hptimo
Carga de la bomba
PMR
Carga del sistema
Q
H
mx
Q
H
Curva de rendimiento
Punto de operacin
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Durante la manipulacin de esta prctica, se trabaja con una bomba y varios sistemas. Cada sistem
corresponde a una apertura diferente de la vlvula, obtenindose varios puntos operacionales; la unin de esto
puntos nos permite obtener la curva caracterstica de la bomba (ver figura 6).
Figura 6: Obtencin experimental de la curva caracterstica de la bomba.
3.5. Funcionamiento de bombas en serie
Se dice que dos bombas funcionan en serie cuando la totalidad del lquido que sale de una bomba entra
en la siguiente, como se representa en la figura 8.
QT=QA=QBQA QB=QA
HA HT=HA+HB
Bomba A Bomba B
Figura 8: Esquema del funcionamiento de bombas en serie.
Se puede observar que el caudal que circula por cada bomba es el mismo, mientras que la carga tota
recibida por el lquido es la suma de las cargas entregadas por las bombas:
QT= QA= QB HT= HA+ HB
Curva caracterstica de la bomba
Q1
H1
Z
H2
Q2
H
QQ3Q4
H3
Cada curva
corresponde a
una apertura
diferente de la
vlvula
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A partir de las ecuaciones anteriores se puede obtener la curva caracterstica para el funcionamiento e
serie (ver figura 9).
Figura 9: Curva caracterstica para el funcionamiento en serie.
Esta curva caracterstica se puede construir de forma terica a partir de los valores de cada bomb
funcionando individualmente o experimentalmente midiendo en la instalacin el aumento de presin ocasionad
por el funcionamiento de ambas bombas en serie.
3.6. Funcionamiento de bombas en paralelo
Se dice que dos bombas funcionan en paralelo cuando el caudal total de lquido que circula en el sistema
se divide en dos partes, entrando cada una de ellas a una bomba y luego se vuelven a unir; como se represent
en la figura 10.
QT=QA+QB
QA
HT=HA=HB
HA
HB
Bomba A
Bomba B
QB
Figura 10: Esquema del funcionamiento de bombas en paralelo.
HA
HB
HT=HA+HB Bomba A y B en serie
Bomba A
Bomba B
QT Q
H
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Se puede observar que el caudal total es la suma de los caudales que circulan por las bombas
efectundose esta divisin de caudal de tal forma que la carga entregada por cada bomba sea la misma:
QT= QA+ QB
HT= HA= HB
A partir de las ecuaciones anteriores se puede obtener la curva caracterstica para el funcionamiento e
paralelo (ver figura 11).
Figura 11: Curva caracterstica para el funcionamiento en paralelo.
Esta curva caracterstica se puede construir de forma terica a partir de los valores de cada bomb
funcionando individualmente o experimentalmente midiendo en la instalacin el aumento de presin ocasionad
por el funcionamiento de ambas bombas en paralelo.
Haciendo un aparte en el estudio de la mecnica de los fluidos, encontramos un concepto estadstico qu
debe manejarse y comprenderse bien (sobre todo en lo referente al Informe de Sntesis) y se refiere al significad
de la palabra reproducibilidad, el cual representa la mxima variacin permisible en los resultados obtenidos en l
aplicacin de un mtodo de anlisis determinado, aplicado por diferentes operadores en laboratorios diferentes
en fechas diferentes. Es conveniente entonces, que el estudiante conozca y maneje algunas herramientas bsica
de estadsticas como son la media aritmtica y la desviacin estndar de un conjunto de datos y/o resultadonumricos.
4. DESCRIPCIN DE LA INSTALACIN
La instalacin est constituida por:
Un tanque.
Dos bombas centrfugas de 1/2 Hp; Marca: Mardal; Tipo: Centrfuga de un impulsor; Modelo: MAR 2.
QQT=QA+QB
Bomba B
QA
H
QB
Bomba A
HT
Bomba A y B en
paralelo
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Un indicador de flujo tipo vrtice.
Dos transmisores de diferencial de presin.
Vlvulas de paso rpido y de regulacin de caudal.
5. MEDIDAS E IMPLEMENTOS DE SEGURIDAD
Verificar que el nivel de agua en el tanque sea suficiente para realizar la experiencia.
No haga operar las bombas en vaco ni con restriccin total de flujo. No cerrar en ningn momento la vlvula de descarga del sistema.
6. MTODO EXPERIMENTAL
6.1. Verificar que se cumplan todas las medidas de seguridad.
6.2. Conectar el sistema para trabajar solamente con la bomba A. Variar el flujo y medir la diferencia d
presin correspondiente.
6.3. Conectar el sistema para trabajar solamente con la bomba B. Variar el flujo y medir la diferencia d
presin correspondiente.
6.4. Conectar el sistema de bombas para un funcionamiento en serie. Variar el flujo y medir las diferencias d
presin.
6.5. Conectar el sistema de bombas para un funcionamiento en paralelo. Variar el flujo y medir las diferencia
de presin.
7. PREINFORME
Deducir la ecuacin de la carga de la bomba (H) en funcin de la lectura manomtrica ( p/ g).
Elaborar las curvas nominales H=f(Q) (en el anexo se encuentra la tabla dada por el fabricante), as com
tambin las curvas del funcionamiento en serie y paralelo.
Indicar la variable independiente, las variables dependientes y el parmetro.
Indicar y explicar todos los mecanismos de transferencia que estn involucrados en la prctica es dec
transferencia de calor, transferencia de materia y transporte de cantidad de movimiento (transporte d
fluido) e indicar cul de ellos es el que predomina en la prctica en estudio.
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Elaborar una tabla de los datos experimentales que sern tomados en la prctica, indicando las variable
a medir y sus respectivas unidades.
Elaborar un modelo de clculo detallado para la ejecucin de cada uno de los objetivos propuestos en l
prctica.
Elaborar una tabla para los resultados que se obtendrn en la prctica, en funcin de los objetivo
planteados.
Elaborar el Diagrama de flujo de la instalacin utilizando el software Microsoft office Visio y siguiendo lo
lineamientos de la unidad curricular Principios de Procesos Qumicos
Consultar la ficha de seguridad qumica de los reactivos involucrados en la prctica y mencionar cuale
seran las medidas de seguridad en caso de derrames y fugas para estos reactivos.
8. BIBLIOGRAFA
HANDBOOK OF FLUID MECHANICS. USA. McGraw HiII. 1974.
Mott, Robert. MECNICA DE FLUIDOS APLICADA. Prentice Hall. 4 edicin.
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Anexo 1
Datos nominales proporcionados por el fabricante de las bombas.
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Anexo 2
Resumen de las normas ISA para el trazado de diagramas de flujo en el departamento de procesosqumicos.
CODIFICACIN DE LOS EQUIPOS
LNEAS UTILIZADAS EN DIAGRAMAS DE FLUJO
CODIFICACIN DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICIN
Lnea principal del proceso
Lnea secundaria o de servicio
Seal neumtica
Seal electrica
Alimentacin inicial, materia prima
letras que
identifican al equipo
XX A/BZZY
Indican equipos en
paralelo
Nmero asignado al equipocdigo de la instalacin
LNEAS DE SERVICIOS
HW (Hot Water) Suministro de agua caliente
CW (Cool Water) Suministro de agua de enfriamiento
TW (Treatment Water) Suministro de agua desmineralizada
HO (Hot oil) Aceite caliente
SMBOLOS DE DIFERENTES VLVULAS
Vlvula de compuerta
Vlvula de aguja
Vlvula de retencin
Vlvula de alivio
Vlvula de asiento
Vlvula de diafragma
Vlvula de paso rpido
MISCELANEOS
MTO1 Molienda, tamizado y caracterizacin de los slidos.
MTO2 Prdida de carga en tuberas.
MTO3 Medidores de flujo en tuberas.
MTO4 Permeametra, Fluidizacin homognea y sedimentacin.
MTO5 Bomba centrifuga.
MTO6 Bombas en serie y paralelo.
MTO7 Medidores de flujo en canal abierto.
MTO8 Filtracin.
MTO9 Estudio del tiempo de vaciado de un tanque.
TM01 Hidrodinmica de columna.
TM02 Absorcin.
TM03 Destilacin.
TM04 Extraccin Torre pulsada.
TE04 Arrastre con vapor
TE05 Refrigeracin
CDIGO DE LAS INSTALACIONES
MEDIDORES DE FLUJO
(Orifice flowmeter)Placa de orificio
F
(venturi flowmeter)Tubo de venturi
F
(turbine flowmeter)
Contador volumtricotipo turbina
F
(Rotameter)Rotametro
FI
F
(Rotameter)
Rotametro(flowmeter)
Flujometro Magntico
(Punto de Anlisis)
Punto de anlisis
AI
01
(Indicador de Presin)
manmetro de Bourdon
PI
01
(Indicador de Temperatura)
Termopar, termometro
TI
01
Indicador de nivel con
tubo de vidrio
Nota
Para la realizacin de los diagramas de flujo de las instalaciones de planta
piloto, utilice los smbolos que proporciona el Microsoft Visio
PManmetro en U
Trampa de vaporEyector
Agitador
Drenaje abierto
Tanque